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Diese Offenbarung bezieht sich auf ein Verfahren zum Setzen von Druckgrenzen für eine Luftversorgung eines Brennstoffzellensystems. Insbesondere bezieht sich diese Offenbarung auf ein Verfahren zur Ermittlung von maximalen und minimalen Einlassluftdruck-Sollwerten für ein Teilsystem zur Kathodenluftzufuhr in einem Fahrzeug-Brennstoffzellensystem.
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Personenfahrzeuge können Brennstoffzellen- („FC“) -Systeme aufweisen, um bestimmte Merkmale von elektrischen Systemen und Antriebsstrangsystemen eines Fahrzeugs mit Leistung zu beaufschlagen. Zum Beispiel kann ein FC-System in einem Fahrzeug verwendet werden, um elektrische Komponenten des Antriebsstrangs des Fahrzeugs direkt (zum Beispiel elektrische Antriebsmotoren und dergleichen) und / oder über ein dazwischen befindliches Batteriesystem zu betreiben. Wasserstoff ist ein möglicher Brennstoff, der in einem FC-System verwendet werden kann. Wasserstoff ist ein sauberer Brennstoff, der dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer FC zu erzeugen. Ein Wasserstoff-FC-System ist eine elektrochemische Vorrichtung, die einen Elektrolyten zwischen einer Anode und einer Kathode aufweisen kann. Die Anode nimmt Wasserstoffgas auf, und die Kathode nimmt Sauerstoff oder Luft auf. Das Wasserstoffgas wird in der Anode aufgespalten, um freie Wasserstoffprotonen und Elektronen zu erzeugen. Die Wasserstoffprotonen können selektiv über den Elektrolyten geleitet werden. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt gelangen und werden somit durch eine Last geführt, in der sie Arbeit verrichten, bevor sie an die Kathode geliefert werden. Die Wasserstoffprotonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen.
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Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen („PEMFC“) können in FCbetriebenen Fahrzeugen verwendet werden. Die PEMFC umfasst allgemein eine protonenleitende Festpolymerelektrolytmembran, wie eine Perfluorsulfonsäuremembran. Eine Anode und Kathode, die in einer PEMFC enthalten sind, können fein geteilte Katalysatorpartikel (beispielsweise Platinpartikel) aufweisen, die auf Kohlenstoffpartikeln geträgert und mit einem lonomer gemischt sind. Die katalytische Mischung kann auf entgegengesetzten Seiten der Membran aufgetragen sein.
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JP 2009 181 925 A offenbart ein Brennstoffzellensystem, das umfasst: eine Brennstoffzelle; einen Luftkompressor zum Zuführen von Luft zu der Brennstoffzelle; einen Druckmesser zum Messen des Einlassluftdrucks und des Auslassluftdrucks in der Brennstoffzelle; einen Einstellabschnitt zum Einstellen der Betriebsgeschwindigkeit des Luftkompressors; einen Druckverhältnis-Einstellabschnitt, der in einem Luftdurchgang in dem Brennstoffzellensystem angeordnet ist, zum Einstellen des Druckverhältnisses zwischen dem Einlassdruck und dem Auslassdruck des Luftkompressors durch Ausführen eines Betriebsschrittes, der den Auslassdruck des Luftkompressors beeinflusst, und einen Steuerabschnitt. Der Steuerabschnitt ändert mindestens einen von einem ersten Einstellbetrag beim Einstellen der Betriebsgeschwindigkeit durch den Einstellabschnitt zum Einstellen der Betriebsgeschwindigkeit oder einen zweiten Einstellbetrag beim Einstellen des Druckverhältnisses durch den Druckverhältnis-Einstellabschnitt gemäß einer Phasendifferenz zwischen der Änderung des Einlassluftdrucks und der Änderung des Auslassluftdrucks.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, mit dem vermieden wird, dass ein Kompressor eines Brennstoffzellensystems in einen Pumpstoß läuft, während gleichzeitig eine Überhitzung des Kompressors vermieden werden soll.
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Die Aufgabe wird durch den Gegenstand von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Ein FC-System kann eine einzelne Zelle aufweisen oder kann alternativ mehrere Zellen aufweisen, die in einer Stapelkonfiguration angeordnet sind. Ein FC-Stapel kann ein Kathodeneingangsgas, beispielsweise Luft, aufnehmen, das durch den Stapel mit einem Kompressor getrieben wird. Ein Sollwert des Kathodeneinlassdrucks des FC-Stapels kann durch ein Stapelbefeuchtungssteuersystem ermittelt werden, um ein gewisses Befeuchtungsniveau für die Membran zu erreichen. Das Befeuchtungsniveau kann beibehalten werden, um eine Membranaustrocknung zu vermeiden und zu helfen, eine Leistungsfähigkeit und Haltbarkeit des FC-Stapels verbessern zu helfen. Wenn ein Sollwert des Kathodeneinlassluftdrucks zu hoch ist, kann ein Kathodengegendruckventil schließen, und der Kompressor kann in einen Pumpstoß laufen. Wenn ein Sollwert eines Kathodeneinlassluftdrucks zu niedrig ist, kann eine Kompressordrehzahl, die eine Drehzahl des Kompressorsystems einstellt, ungenau sein. Eine Kompressordrehzahlanweisung, die aus einer Drucksollwertberechnung berechnet werden kann, kann helfen, eine glatte Kompressordrehzahlsteuerung beizubehalten.
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Beispielhaft sind Systeme und Verfahren zur Ermittlung minimaler und maximaler Drucksollwerte einer Kathodenluftzufuhr eines FC-Systems dargestellt. Bei einigen Ausführungsformen können Steuerparameter für ein FC-Kompressorsystem (z.B. Kompressordrehzahlanweisungen) auf Grundlage des Sollwerts ermittelt werden. Gewisse Ausführungsformen, die hier offenbart sind, können ermöglichen, dass ein FC-System einen minimalen und einen maximalen FC-Stapel-Kathodeneinlassdruck auf Grundlage verschiedener Betriebsbedingungen berechnet, während sichergestellt wird, dass der FC-Stapel eine gewünschte Luftströmung aufnimmt. Weitere Ausführungsformen, die hier offenbart sind, können ermöglichen, dass ein FC-System einen Kathodeneinlassluftdruckbereich beibehält, der einen zugeordneten Kompressor davor schützt, dass er einem Pumpstoß ausgesetzt ist, und/oder vor Überhitzungsbedingungen schützt. Bei weiteren Ausführungsformen können das hier offenbarte Verfahren und die beispielhaften Systeme eine genauere Kompressordrehzahlsteuerung und/oder einen glatteren Kompressorbetrieb ermöglichen.
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Beispielhaft kann ein Verfahren zum Setzen eines maximalen Sollwerts eines FC-Stapeldrucks umfassen, dass ein Sollwert eines Kompressordruckverhältnisses eines FC-Kompressorsystems ermittelt wird. Erfindungsgemäß umfasst das Ermitteln des Sollwerts eines Kompressordruckverhältnisses, dass ermittelt wird, dass ein korrigierter Durchfluss größer als ein kritischer Massendurchfluss des Kompressorsystems ist und der Sollwert auf Grundlage des korrigierten Durchflusses bei einer maximalen Drehzahl des Kompressorsystems berechnet wird, und dass ermittelt wird, dass ein korrigierter Durchfluss kleiner als ein kritischer Massendurchfluss des Kompressorsystems ist, und der Sollwert auf Grundlage einer Temperaturbegrenzung des Kompressorsystems berechnet wird. Bei noch weiteren Ausführungsformen kann ein Ermitteln des Sollwerts des Kompressordruckverhältnisses auf Grundlage eines Kompressorkennfeldes des Kompressorsystems erfolgen.
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Beispielhaft kann das Verfahren ferner umfassen, dass ein vorhergesagter Kompressoreinlassdruck des FC-Kompressorsystems ermittelt wird und ein vorhergesagter Druckabfall von einem Auslass des FC-Kompressorsystems zu einem Einlass des FC ermittelt wird. Bei gewissen Ausführungsformen kann der vorhergesagte Druckabfall auf Grundlage eines Druckabfallmodells des Kompressors und/oder FC-Systems ermittelt werden. Auf Grundlage des Sollwerts des Kompressordruckverhältnisses, des vorhergesagten Kompressoreinlassdrucks und des vorhergesagten Druckabfalls kann ein maximaler Sollwert eines FC-Stapeldrucks berechnet werden. Bei gewissen Ausführungsformen kann der maximale Sollwert des FC-Stapeldrucks durch Multiplizieren des Kompressorverhältnissollwerts mit dem vorhergesagten Kompressoreinlassdruck und Subtrahieren des vorhergesagten Druckabfalls berechnet werden. Auf Grundlage des berechneten Sollwerts des FC-Stapeldrucks kann ein Steuerparameter (z.B. eine Kompressordrehzahlanweisung) eingestellt werden.
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Beispielhaft kann ein Verfahren zum Setzen eines minimalen Sollwertes eines FC-Stapeldrucks umfassen, dass ermittelt wird, dass ein Kompressorventil bei einem gewünschten Stapeldurchfluss offen ist. Wenn das Kompressorventil offen ist, kann ein vorhergesagter Stapeleinlassdruck auf Grundlage eines Druckabfallmodells, das dem Kompressorsystem zugeordnet ist, ermittelt werden. Ein minimaler Sollwert des FC-Stapeldrucks kann auf Grundlage des vorhergesagten Stapeleinlassdrucks berechnet werden und ein Steuerparameter kann auf Grundlage des berechneten minimalen Sollwerts des FC-Stapeldrucks eingestellt werden.
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Beispielhaft kann ein Verfahren zum Setzen eines minimalen Sollwerts des FC-Stapeldrucks umfassen, dass ein vorhergesagter Kathodenaustragseinlassdruck ermittelt wird. Bei gewissen Ausführungsformen kann der vorhergesagte Kathodenaustragseinlassdruck gemäß einem Druckabfallmodell auf Grundlage eines Stapelströmungssollwerts, einer Strömungstemperatur und/oder einem Umgebungsdruck ermittelt werden. Ein vorhergesagter Einlassdruck des Kathodengegendruckventils kann gemäß einem Druckabfallmodell auf Grundlage des Stapelströmungssollwerts, der Strömungstemperatur, des vorhergesagten Kathodenaustragseinlassdrucks und/oder einer Position eines Gegendruckventils ermittelt werden. Ein Druckabfallmodell auf Grundlage des Stapelströmungssollwerts, der Strömungstemperatur und/oder des vorhergesagten Einlassdrucks des Kathodengegendruckventils können verwendet werden, um einen minimalen Sollwert des FC-Stapeldrucks für das FC-System zu berechnen. Auf Grundlage des berechneten Sollwerts des FC-Stapeldrucks kann ein Steuerparameter des FC-Systems eingestellt werden.
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Beispielhafte Ausführungsformen der Offenbarung sind beschrieben, die verschiedene Ausführungsformen der Offenbarung mit Bezug auf die Figuren enthalten, in welchen:
- 1 ein Funktionsblockdiagramm eines beispielhaften Systems zum Messen von Betriebsparametern eines FC-Systems in einem Fahrzeug gemäß hier offenbarten Ausführungsformen zeigt.
- 2 ein beispielhaftes Kompressorkennfeld zeigt, das dazu verwendet werden kann, ein maximales Kompressorverhältnis eines FC-Systems gemäß hier offenbarten Ausführungsformen zu ermitteln.
- 3 ein konzeptionelles Flussdiagramm eines Systems zum Durchgang einer Kompressorluftrückführströmung eines FC-Systems gemäß hier offenbarten Ausführungsformen zeigt.
- 4 ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zeigt, um einen maximalen Drucksollwert für einen FC-Stapel gemäß hier offenbarten Ausführungsformen zu ermitteln.
- 5 ein konzeptionelles Flussdiagramm eines Kathodenluftzufuhrsystems eines FC-Systems gemäß hier offenbarten Ausführungsformen zeigt.
- 6 ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Ermitteln eines minimalen Drucksollwerts für einen FC-Stapel gemäß hier offenbarten Ausführungsformen zeigt.
- 7 ein Blockdiagramm eines beispielhaften Computersystems zur Implementierung verschiedener Ausführungsformen gemäß hier offenbarten Ausführungsformen zeigt.
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1 zeigt ein Beispiel eines FC-Systems 102 in einem Fahrzeug 100 gemäß hier offenbarter Ausführungsformen. Das Fahrzeug 100 kann ein Kraftfahrzeug, ein Wasserfahrzeug, ein Flugzeug und/oder irgendein anderer Typ von Fahrzeug sein und kann einen geeigneten Typ von Antriebsstrang zur Integration des hier offenbarten Verfahrens enthalten. Zusätzliche Ausführungsformen können die Lehren der vorliegenden Offenbarung auf stationäre Leistungsquellen (z.B. Generatoren) anwenden. Wie gezeigt ist, kann das Fahrzeug 100 ein FC-System 102 aufweisen, das derart konfiguriert ist, elektrische Leistung an gewisse Komponenten des Fahrzeugs 100 zu liefern. Beispielsweise kann das FC-System 102 derart konfiguriert sein, Leistung an elektrische Antriebsstrangkomponenten 104 des Fahrzeugs 100 zu liefern. Das FC-System 102 kann eine einzelne Zelle oder mehrere Zellen aufweisen, die in einer Stapelkonfiguration angeordnet sind, und kann gewisse FC-Systemelemente und/oder -merkmale, wie oben beschrieben ist, enthalten.
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Wie gezeigt ist, kann das FC-System 102 derart konfiguriert sein, Leistung direkt an elektrische Antriebsstrangkomponenten 104 zu liefern. Bei gewissen Ausführungsformen kann das FC-System 102 derart konfiguriert sein, Leistung an elektrische Antriebsstrangkomponenten 104 über ein dazwischen liegendes Batteriesystem (nicht gezeigt) zu liefern. Bei weiteren Ausführungsformen kann das FC-System 102 derart konfiguriert sein, Leistung an ein oder mehrere andere Batteriesysteme (nicht gezeigt) zu liefern, die Niedrigspannungsbatteriesysteme (z.B. Bleisäure-12 V-Kraftfahrzeugbatterien) aufweisen, die elektrische Energie an eine Vielzahl von Systemen des Fahrzeugs 100 liefern, einschließlich beispielsweise Fahrzeuganlassersystemen (z.B. einem Anlassermotor), Beleuchtungssystemen, Audiosystemen und/oder dergleichen.
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Ein Luftzirkulationssystem 106 kann mit dem FC-System 102 gekoppelt und derart konfiguriert sein, Luft durch eine oder mehrere Stellen in dem FC-System 102 zu zirkulieren. Bei einigen Ausführungsformen kann das Luftzirkulationssystem 106 ein Kathodenluftzufuhrsystem umfassen. Das Luftzirkulationssystem 106 kann eine beliebige geeignete Anzahl von Kompressoren, Pumpen, Ventilen, Zirkulationspfaden (z.B. Verrohrung), Reservoirs, Wärmetauscher, Elektronik für Luftzirkulationssysteme (z.B. Rückkopplungsmechanismen, Temperatursensoren, Thermostate, Luftströmungssensoren, Kompressorelektronik, Luftdrucksensoren und/oder dergleichen) und/oder beliebige andere Komponenten von Luftzirkulationssystemen und/oder Systeme in beliebiger geeigneter Konfiguration zum Zirkulieren von Luft an verschiedene Komponenten und Systeme, die in dem FC-System 102 enthalten sind, umfassen.
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Das FC-System 102 und/oder das Luftzirkulationssystem 106 können kommunikativ mit einem zugeordneten FC-Steuersystem 108 gekoppelt sein. Das FC-Steuersystem 108 kann derart konfiguriert sein, gewisse Betriebsabläufe des FC-Systems 102, des Luftzirkulationssystems 106 und/oder anderer zugeordneter Systeme zu überwachen und zu steuern. Beispielsweise kann das FC-Steuersystem 108 derart konfiguriert sein, Betriebsabläufe des FC-Systems 102 zu überwachen und zu steuern. Ferner kann das FC-Steuersystem 108 derart konfiguriert sein, ein Kompressorsystem zu überwachen und/oder zu steuern, das in dem Luftzirkulationssystem 106 enthalten ist. Beispielsweise kann das FC-Steuersystem 108 derart konfiguriert sein, Druckgrenzen und/oder einen Sollwert des Luftzirkulationssystems 106 zu überwachen und/oder zu steuern. Bei weiteren Ausführungsformen können ein internes Fahrzeugcomputersystem (nicht gezeigt) und/oder irgendein anderes geeignetes Computersystem derart konfiguriert sein, gewisse Betriebsabläufe des FC-Systems 102 und/oder des Luftzirkulationssystems 106 zu überwachen und zu steuern.
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Bei gewissen Ausführungsformen kann das FC-Steuersystem 108 kommunikativ mit einem oder mehreren Sensoren (nicht gezeigt) gekoppelt sein, die dem Luftzirkulationssystem 106 zugeordnet sind, einschließlich beispielsweise Luftströmungssensoren, Drucksensoren, Sensoren für die Position des Gegendruckventils und/oder irgendeinen anderen geeigneten Sensor oder Sensoren, die Information bereitstellen können, die in dem hier offenbarten Verfahren verwendet werden. Bei gewissen Ausführungsformen können der eine oder die mehreren Sensoren Information bereitstellen, die bei der Berechnung und/oder Einstellung eines oder mehrerer Kathodeneinlassdruck-Sollwerte (z.B. minimale und/oder maximale Druckgrenzen und/oder Sollwerte) verwendet wird.
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Bei gewissen Ausführungsformen kann das FC-Steuersystem 108 ferner derart konfiguriert sein, andere Information an das Luftzirkulationssystem 106 zu liefern und/oder davon aufzunehmen. Derartige Information kann beispielsweise ohne Beschränkung Information über die Position des Gegendruckventils, Kompressordrehzahlinformation, Luftströmungsinformation und/oder irgendwelche andere relevante Information aufweisen. Bei einigen Ausführungsformen kann das FC-Steuersystem 108 kommunikativ mit einem internen Fahrzeugcomputersystem (nicht gezeigt) und/oder einem externen Computersystem (z.B. über ein drahtloses Telekommunikationssystem oder dergleichen) gekoppelt sein. Bei gewissen Ausführungsformen kann das FC-Steuersystem 108 zumindest teilweise konfiguriert sein, um Information bezüglich des FC-Systems 102 an ein Fahrzeugcomputersystem und/oder ein externes Computersystem zu liefern.
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Gewisse Ausführungsformen, die hier offenbart sind, können ermöglichen, dass das FC-Steuersystem 108 einen minimalen und einen maximalen Kathodeneinlassdruck des FC-Systems 102 auf Grundlage verschiedener Betriebsbedingungen berechnet, während sichergestellt wird, dass das FC-System 102 eine gewünschte Luftströmung aufnimmt. Weitere Ausführungsformen, die hier offenbart sind, können ermöglichen, dass das FC-Steuersystem 108 einen Kathodeneinlassluftdruck innerhalb eines Bereiches beibehält, der einen zugeordneten Kompressor vor einem Eintreten eines Pumpstoßes und/oder vor Überhitzungsbedingungen schützt.
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2 zeigt ein beispielhaftes Kompressorkennfeld 200, das dazu verwendet werden kann, ein maximales Kompressorverhältnis eines FC-Systems in Übereinstimmung mit hier offenbarten Ausführungsformen zu ermitteln. Bei gewissen Ausführungsformen kann das Kompressorkennfeld 200 einem Kompressor eines Luftzirkulationssystems zugeordnet sein, das ein System zur Zufuhr von FC-Kathodeneinlassluft aufweist. Die Achse 202 repräsentiert eine korrigierte Kompressorluftströmung, und die Achse 204 repräsentiert ein Druckverhältnis über den Kompressor. Das Kennfeld 200 zeigt ferner Iso-Drehzahl-Linien 206 sowie eine Pumpstoßlinie 208 für das zugeordnete Kompressorsystem.
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In Übereinstimmung mit hier offenbarten Ausführungsformen kann ein maximaler Sollwert des FC-Stapeldrucks aus einem maximalen Sollwert des Kompressordruckverhältnisses eines FC-Kompressorsystems berechnet werden. Bei einigen Ausführungsformen kann der Sollwert gemäß Gleichung 1 berechnet werden:
wobei MaxCompRatioSP der maximale Kompressorverhältnissollwert ist, ComplnletPressureSP der vorhergesagte Kompressoreinlassdruck ist und PredPressDrop der vorhergesagte Druckabfall von dem Kompressorauslass zu dem FC-Stapeleinlass ist.
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Der Punkt 210, der in 2 gezeigt ist, kann die Überschneidung einer Linie 212 mit maximaler Drehzahl und einer Stoßlinie 208 des Kompressorkennfeldes 200 repräsentieren. Diese Überschneidung kann einem maximalen Druckverhältnis zugeordnet werden, das durch den Kompressor, der dem Kompressorkennfeld 200 zugeordnet ist, erreicht werden kann. Eine korrigierte Strömung 214 kann aus einem Stapelströmungssollwert berechnet werden. Erfindungsgemäß wird, wenn die korrigierte Strömung 214 größer als eine Strömung 216 einer kritischen Masse ist, der maximale Sollwert 218 des Kompressorverhältnisses durch die korrigierte Strömung 214 und die maximale Kompressordrehzahl 212 ermittelt, die das Druckverhältnis ist, das der maximalen Drehzahl bei dem Durchfluss entspricht.
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Erfindungsgemäß wird, wenn die korrigierte Strömung kleiner als die Strömung 216 der kritischen Masse ist, beispielsweise bei 220, der maximale Kompressorverhältnissollwert 224 durch die Temperaturbegrenzung des Kompressors ermittelt. Bei gewissen Umständen resultiert eine korrigierte Strömung 220 sowie ein zugeordneter Kompressorverhältnissollwert 224 in einem Betriebsbedingungspunkt 226, der in den Pumpstoßbereich an dem Kompressorkennfeld 200 fällt, was angibt, dass der Kompressor in einen Pumpstoß laufen kann. Um einen Kompressorpumpstoß zu vermeiden, kann der Betriebszustand des Kompressors zu Punkt 228 eingestellt werden, der den maximalen Druckverhältnissollwert 224 bei einer korrigierten Strömung 230 repräsentieren kann. Dies kann jedoch in einer Überhitzung des Kompressors resultieren, und dementsprechend kann in diesem Bereich der maximale Druckverhältnissollwert von dem Kompressor über Temperaturschutzvariablen ermittelt werden.
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Der endgültige maximale Kompressorverhältnissollwert, der beim Einstellen der Steuerparameter des Kompressorsystems verwendet wird, kann durch die gestrichelte Linie 222 beschrieben werden, die in dem Kompressorkennfeld 200 von 2 gezeigt ist. Die Linie 222 links von 216 kann einer thermischen Begrenzung des Kompressors zugeordnet sein und die Linie 222 rechts von 216 kann der maximalen Kompressordrehzahllinie 212 zugeordnet sein. Sobald ein Sollwert eines Kompressordruckverhältnisses ermittelt ist, kann ein maximaler FC-Stapeldrucksollwert auf Grundlage eines maximalen Kompressorauslassdrucks und des Druckabfalls von einem Auslass des FC-Kompressorsystems zu einem Einlass eines FC-Stapels ermittelt werden. Der Druckabfall kann durch Verwendung eines Druckabfallmodells ermittelt werden.
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3 zeigt ein konzeptionelles Flussdiagramm eines Systems zum Durchgang einer Luftrezirkulationsströmung eines Kompressors eines FC-Systems in Übereinstimmung mit hier offenbarten Ausführungsformen. Wie oben diskutiert ist, kann ein maximaler Kompressorverhältnissollwert zumindest teilweise auf Grundlage einer FC-Stapelströmung ermittelt werden. Beispielsweise kann, wenn eine Luftströmung 302, die von einem Luftströmungssensor 312 gemessen werden kann, unterhalb eines Schwellendurchflusses (z.B. eines kritischen Durchflusses) liegt, der Sollwert des Kompressordruckverhältnisses auf Grundlage einer Temperaturbegrenzung des FC-Kompressorsystems 316 berechnet werden. Unter diesen Umständen kann, um die Möglichkeit, dass das Kompressorsystem 316 in einen Stoßzustand läuft, zu mindern, das Kompressorsystem 316 so gesteuert werden, dass es eine höhere Luftströmung aufweist. Ein Rezirkulationsventil 314 kann ermöglichen, dass ein Anteil einer Luftströmung von einem Kompressorausgang 308 in die Luftströmung, die zu dem Kompressoreingang 306 geliefert wird, rezirkuliert wird. Die verbleibende Luftströmung 310 kann an den FC-Stapel geliefert werden. Die Luftströmung durch das Rezirkulationsventil 314 kann in einer höheren Luftströmungstemperatur an dem Kompressoreinlass 306 resultieren, was eine höhere Luftströmungstemperatur an einem Kompressorauslass 308 bewirken kann. Derartige Bedingungen können eine Überhitzung des Kompressorsystems 316 bewirken. Demgemäß kann unter derartigen Bedingungen ein maximaler Sollwert des Kompressordruckverhältnisses auf Grundlage von Variablen zum Kompressor-Übertemperaturschutz ermittelt werden.
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4 zeigt ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens 400, um einen maximalen Drucksollwert für einen FC-Stapel gemäß hier offenbarten Ausführungsformen zu ermitteln. Das gezeigte Verfahren 400 kann zumindest teilweise unter Verwendung eines Fahrzeugcomputersystems, eines externen Computersystems, eines FC-Steuersystems und/oder irgendeines anderen geeigneten Systems ausgeführt werden.
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Das Verfahren 400 kann bei 402 beginnen. Bei 404 kann ein korrigierter Durchfluss aus einem gemessenen Durchfluss berechnet und mit einem kritischen Durchfluss verglichen werden. Wenn der korrigierte Durchfluss höher als der kritische Durchfluss ist, kann das Verfahren mit 408 fortfahren. Bei 408 kann eine Berechnung ausgeführt werden, um den maximalen Sollwert des Kompressordruckverhältnisses auf Grundlage des korrigierten Durchflusses und einer maximalen Kompressordrehzahl zu ermitteln, wie oben detailliert dargestellt ist. Wenn jedoch der korrigierte Luftdurchfluss kleiner als der kritische Durchfluss ist, kann das Verfahren mit 406 fortfahren. Bei 406 kann der maximale Sollwert des Kompressordruckverhältnisses auf Grundlage einer Temperaturbegrenzung des FC-Kompressorsystems berechnet werden.
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Nachdem der Sollwert des Kompressordruckverhältnisses ermittelt ist, entweder bei 406 oder 408, kann das Verfahren mit 410 fortfahren. Bei 410 kann der Sollwert des FC-Stapeldrucks unter Verwendung eines Sollwerts des Kompressordruckverhältnisses eines FC-Kompressorsystems, eines vorhergesagten Kompressoreinlassdrucks des FC-Kompressorsystems und eines vorhergesagten Druckabfalls von einem Auslass des FC-Kompressorsystems zu einem Einlass des FC berechnet werden. Nachdem ein Sollwert des FC-Stapeldrucks ermittelt ist, kann sich der Prozess zu 412 bewegen, wo ein FC-System einen Steuerparameter eines FC-Kompressorsystems auf Grundlage eines berechneten Sollwerts des FC-Stapeldrucks einstellen kann. Das Verfahren kann dann mit einer Beendigung bei 414 fortfahren.
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5 zeigt ein konzeptionelles Flussdiagramm eines Kathodenluftzufuhrsystems eines FC-Systems gemäß hier offenbarter Ausführungsformen. Das Diagramm weist einen FC-Stapel 405, ein Gegendruckventil 506 und einen Kathodenaustrag 508 auf. Wie oben diskutiert ist, kann bei gewissen Ausführungsformen eine untere Grenze des Drucks an einem Stapeleinlass 500 auf Grundlage einer maximalen offenen Position des Gegendruckventils 506 ermittelt werden. Wenn beispielsweise das Ventil 506 bei einer gewünschten Stapelströmung vollständig offen ist, kann der vorhergesagte Druck an dem Stapeleinlass 500, der von einem Druckabfallmodell berechnet ist, der minimale Wert des Stapeldrucksollwerts sein.
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Der Druck an einem Kathodenaustragseinlass 510 kann unter Verwendung eines Druckabfallmodells auf Grundlage des Stapelströmungssollwertes, der Strömungstemperatur und/oder eines Umgebungsdrucks berechnet werden. Der Einlassdruck 514 des Kathodengegendruckventils kann auf Grundlage eines Ventildruckabfallmodells auf Grundlage des Stapelströmungssollwertes, der Strömungstemperatur, des vorhergesagten Kathodenaustragseinlassdrucks 510 und des Gegendruckventils 506 berechnet werden. Schließlich kann der minimale Stapeldrucksollwert durch Verwendung eines Druckabfallmodells auf Grundlage des Stapelströmungssollwertes, der Strömungstemperatur und/oder des vorhergesagten Einlassdrucks 516 des Kathodengegendruckventils berechnet werden.
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6 zeigt ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 600, um einen minimalen Drucksollwert für einen FC-Stapel gemäß hier offenbarter Ausführungsformen zu ermitteln. Das gezeigte Verfahren 600 kann zumindest teilweise unter Verwendung eines Fahrzeugcomputersystems, eines externen Computersystems, eines FC-Steuersystems oder irgendeines anderen geeigneten Systems ausgeführt werden. Das gezeigte Verfahren 600 kann bei 602 beginnen. Bei 604 kann ein vorhergesagter Kathodenaustragseinlassdruck unter Verwendung eines Druckabfallmodells auf Grundlage eines Stapelströmungssollwerts, einer Strömungstemperatur und/oder eines Umgebungsdrucks berechnet werden. Bei 606 kann ein vorhergesagter Einlassdruck des Kathodengegendruckventils auf Grundlage eines Ventildruckabfallmodells ermittelt werden. Das Ventildruckabfallmodell kann auf einem Stapelströmungssollwert, einer Strömungstemperatur, dem vorhergesagten Kathodenaustragseinlassdruck und/oder einer Position eines Gegendruckventils basieren. Der minimale Stapeldrucksollwert kann bei 608 durch Verwendung eines Druckabfallmodells auf Grundlage eines Stapelströmungssollwerts, einer Strömungstemperatur und/oder des vorhergesagten Einlassdrucks des Kathodengegendruckventils berechnet werden. Das Verfahren kann bei 610 mit einer Beendigung fortfahren.
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7 zeigt ein Blockdiagramm eines Computersystems 700, das bei der Implementierung bestimmter Ausführungsformen der beispielhaften Systeme und des erfindungsgemäßen Verfahrens, die hierin offenbart sind, verwendet werden kann. Bei bestimmten Ausführungsformen kann das Computersystem 700 ein Personalcomputersystem, ein Servercomputersystem, ein Fahrzeug-Bordcomputer, ein FC-Steuersystem, und / oder irgendeine andere Art von System sein, das für die Implementierung der offenbarten Systeme und Verfahren geeignet ist. Bei weiteren Ausführungsformen kann das Computersystem 700 ein beliebiges tragbares elektronisches Computersystem oder eine elektronische Vorrichtung sein, einschließlich beispielsweise einem Notebook-Computer, einem Smartphone, und / oder einem Tablet-Computer.
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Wie dargestellt, kann das Computersystem 700 unter anderem einen oder mehrere Prozessoren 702, einen Direktzugriffsspeicher (RAM) 704, eine Kommunikationsschnittstelle 706, eine Benutzerschnittstelle 708 und ein nicht flüchtiges computerlesbares Speichermedium 710 umfassen. Der Prozessor 702, ein RAM 704, die Kommunikationsschnittstelle 706, die Benutzerschnittstelle 708 und ein computerlesbares Speichermedium 710 können kommunikativ miteinander über einen gemeinsamen Datenbus 712 gekoppelt sein. Bei einigen Ausführungsformen können die verschiedenen Komponenten des Computersystems 700 unter Verwendung von Hardware, Software, Firmware und / oder einer beliebigen Kombination davon implementiert sein.
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Die Benutzerschnittstelle 708 kann eine beliebige Anzahl von Vorrichtungen, die einem Benutzer eine Interaktion mit dem Computersystem 700 ermöglichen, umfassen. Zum Beispiel kann die Benutzerschnittstelle 708 verwendet werden, um einem Benutzer eine interaktive Schnittstelle anzuzeigen. Die Benutzerschnittstelle 708 kann ein separates Schnittstellensystem sein, das kommunikativ mit dem Computersystem 700 gekoppelt ist, oder kann alternativ ein integriertes System sein, wie beispielsweise eine Anzeigeschnittstelle für einen Laptop oder eine andere ähnliche Vorrichtung. Bei bestimmten Ausführungsformen kann die Benutzerschnittstelle 708 auf einem Touch-Screen-Display erzeugt werden. Die Benutzerschnittstelle 708 kann auch eine beliebige Anzahl von anderen Eingabegeräten aufweisen, die beispielsweise eine Tastatur, einen Trackball und / oder Zeigegeräte aufweisen.
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Die Kommunikationsschnittstelle 706 kann eine beliebige Schnittstelle sein, die zur Kommunikation mit anderen Computersystemen, Peripherievorrichtungen und / oder anderer Ausstattung in der Lage ist, die kommunikativ mit dem Computersystem 700 gekoppelt ist. Zum Beispiel kann die Kommunikationsschnittstelle 706 ermöglichen, dass das Computersystem 700 mit anderen Computersystemen (z. B. Computersystemen, die externen Datenbanken und / oder dem Internet zugeordnet sind) kommuniziert, so dass die Übertragung wie auch der Empfang von Daten aus solchen Systemen ermöglicht wird. Die Kommunikationsschnittstelle 706 kann unter anderem ein Modem, ein Satelliten-Datenübertragungssystem, eine Ethernet-Karte und / oder irgendeine andere geeignete Vorrichtung aufweisen, die dem Computersystem 700 eine Verbindung mit Datenbanken und Netzwerken, wie beispielsweise LANs, MANs, WANs und dem Internet, ermöglicht.
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Der Prozessor 702 kann einen oder mehrere Allzweckprozessoren, anwendungsspezifische Prozessoren, programmierbare Mikroprozessoren, Mikrocontroller, digitale Signalprozessoren, FPGAs oder andere kundenanpassbare oder programmierbare Verarbeitungsvorrichtungen und / oder irgendwelche anderen Geräte oder irgendeine Anordnung der Geräte umfassen, die für die Implementierung der hier offenbarten Systeme und Verfahren in der Lage sind.
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Der Prozessor 702 kann derart konfiguriert sein, um computerlesbare Anweisungen auszuführen, die an einem nicht flüchtigen computerlesbaren Speichermedium 710 gespeichert sind. Ein Computer-lesbares Speichermedium 710 kann andere Daten oder Informationen nach Bedarf speichern. Bei einigen Ausführungsformen können die computerlesbaren Anweisungen computerausführbare funktionale Module 714 aufweisen. Zum Beispiel können die computerlesbaren Anweisungen ein oder mehrere funktionale Module aufweisen, die derart ausgebildet sind, um die gesamte oder einen Teil der Funktionalität der oben beschriebenen Systeme und Verfahren zu implementieren. Spezifische funktionale Modelle, die auf einem computerlesbaren Speichermedium 710 gespeichert sein können, umfassen ein Modul für eine Berechnung eines minimalen Kathodenluftdrucks, ein Modul zu Berechnung eines maximalen Kathodeneinlassluftdrucks, ein Modul für Luftströmungsanforderungen, ein Temperaturschutzmodul für den Luftkompressor und / oder ein Membranfeuchtesteuermodul.
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Das System und die Verfahren, die hier beschrieben sind, können unabhängig von der Programmiersprache implementiert sein, die dazu verwendet wird, die computerlesbaren Anweisungen zu erzeugen, und / oder von einem Betriebssystem sein, das auf dem Computersystem 700 arbeitet. Zum Beispiel können die computerlesbaren Anweisungen in jeder geeigneten Programmiersprache geschrieben sein, von denen Beispiele umfassen, aber nicht beschränkt darauf sind, C, C++, Visual C++ und / oder Visual Basic, Java, Perl oder irgendeine andere geeignete Programmiersprache. Ferner können die computerlesbaren Anweisungen und / oder funktionale Module in Form einer Sammlung von separaten Programmen oder Modulen und / oder eines Programmmoduls in einem größeren Programm oder einem Teil eines Programmoduls vorliegen. Die Verarbeitung von Daten durch das Computersystem 400 kann in Ansprechen auf Benutzerbefehle, Ergebnisse der vorherigen Verarbeitung, oder eine Anforderung, die von einer anderen Bearbeitungsvorrichtung gestellt wird, erfolgen. Es versteht sich, dass das Computersystem 700 jedes geeignete Betriebssystem, einschließlich beispielsweise Unix, DOS, Android, Symbian, Windows, iOS, OSX, Linux und / oder dergleichen verwenden kann.
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Zum Beispiel können bei bestimmten Ausführungsformen die Systeme und Verfahren, die hierin offenbart sind, in FC-Systemen verwendet werden, die nicht in einem Fahrzeug enthalten sind (z. B. wie in Reserve-Stromquellen oder dergleichen).
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Beispielsweise können verschiedene Betriebsschritte wie auch Komponenten zur Ausführung von Betriebsschritten in alternativen Wegen abhängig von der bestimmten Anwendung oder in Betrachtung einer beliebigen Anzahl von Kostenfunktionen, die dem Betrieb des Systems zugeordnet sind, implementiert sein.
