DE102023108221A1

DE102023108221A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Oxidationsmittelförderers eines Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: DE102023108221A1
Application number: DE102023108221.3A
Authority: DE
Inventors: Zheng Zhou
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2023-03-30
Filing date: 2023-03-30
Publication date: 2024-10-02

Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft erfindungsgemäß eine Vorrichtung (103, 400) zum Betrieb eines Oxidationsmittelförderers (205) eines Brennstoffzellensystems (100), wobei der Oxidationsmittelförderer (205) einen elektrischen Motor (310) zum Antrieb des Oxidationsmittelförderers (205) zur Förderung von Oxidationsmittel (212) umfasst. Die Vorrichtung (103, 400) ist eingerichtet, in Abhängigkeit von einer Leistungsvorgabe für das Brennstoffzellensystem (100) einen Sollwert (401) für den Massenstrom an Oxidationsmittel (212) zu ermitteln, der durch den Oxidationsmittelförderer (205) zu bewirken ist, sowie anhand eines Massenstromreglers (411) und auf Basis des Sollwertes (401) für den Massenstrom an Oxidationsmittel (212) einen Sollwert (404) für den Strom zum Betrieb des Motors (310) zu ermitteln. Die Vorrichtung (103, 400) ist ferner eingerichtet, einen Grenzindikator (423) zu ermitteln, der angibt, ob die Mindestdrehzahl (421) des Motors (310) erreicht oder unterschritten oder die Maximaldrehzahl (421) des Motors (310) erreicht oder überschritten wird, und den Motor (310) des Oxidationsmittelförderers (205) anhand eines Stromreglers (412), auf Basis des Sollwertes (404) für den Strom und unter Berücksichtigung des Grenzindikators (423) zu betreiben.

Description

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Reduzierung von Schwingungen der elektrischen Leitung eines Brennstoffzellensystems.
Ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug kann einen Brennstoffzellenstapel mit ein oder mehreren Brennstoffzellen aufweisen, der eingerichtet ist, auf Basis eines Brennstoffs, insbesondere auf Basis von Wasserstoff, elektrische Energie für den Betrieb der elektrischen Antriebsmaschine des Fahrzeugs zu erzeugen. Der Brennstoff für den Brennstoffzellenstapel wird typischerweise aus einem Druckbehälter zu dem Brennstoffzellenstapel geleitet. Dabei kann die Menge an Brennstoff, die dem Brennstoffzellenstapel zugeführt wird, durch ein Ventil verändert werden.
Ferner wird dem Brennstoffzellenstapel typischerweise ein Oxidationsmittel, insbesondere Umgebungsluft, zugeführt. Das Oxidationsmittel kann dem Brennstoffzellenstapel über einen Kompressor (allgemein über einen Oxidationsmittelförderer) zugeführt werden, wobei die Menge an zugeführtem Oxidationsmittel durch die Förderkapazität, insbesondere durch die Drehzahl, des Kompressors verändert werden kann, z.B. um die von dem Brennstoffzellenstapel erzeugte elektrische Leistung zu verändern.
Die effektive Leistung eines Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoffzellenstapel kann anhand der Regelung des von dem Oxidationsmittelförderer geförderten Massenstroms an Oxidationsmittel eingestellt werden. In diesem Zusammenhang kann eine Regelung der Drehzahl des Oxidationsmittelförderers und basierend darauf eine Regelung des Stroms für den Betrieb der elektrischen Maschine bzw. des Motors des Oxidationsmittelförderers durchgeführt werden. Dabei kann es, insbesondere bei relativ abrupten Änderungen der angeforderten Soll-Leistung bzw. der Leistungsvorgabe des Brennstoffzellensystems, zu ungewünschten Schwingungen der von dem Brennstoffzellensystem bereitgestellten Ist-Leistung kommen.
Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, in effizienter Weise einen stabilen und präzisen Betrieb eines Brennstoffzellensystems ohne Schwingungen der von dem System bereitgestellten elektrischen Leistung zu bewirken.
Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
Gemäß einem Aspekt wird eine Vorrichtung zum Betrieb eines Oxidationsmittelförderers eines Brennstoffzellensystems beschrieben. Der Oxidationsmittelförderer umfasst einen elektrischen Motor zum Antrieb des Oxidationsmittelförderers, sodass durch den Oxidationsmittelförderer Oxidationsmittel gefördert wird. Der Oxidationsmittelförderer kann ein Kompressor sein. Der Motor kann ein oder mehrere (insbesondere drei) Phasen aufweisen. Alternativ oder ergänzend kann der Motor eine Drehstrommaschine und/oder eine Synchronmaschine umfassen, insbesondere sein. In einem weiteren Beispiel kann der Motor eine Gleichstrommaschine umfassen, insbesondere sein.
Das Brennstoffzellensystem kann einen Brennstoffzellenstapel umfassen, der eingerichtet ist, auf Basis des von dem Oxidationsmittelförderer geförderten Oxidationsmittels (z.B. auf Basis von Luft, insbesondere Sauerstoff) und auf Basis eines Brennstoffs (z.B. auf Basis von Wasserstoff, insbesondere H₂) elektrische Energie (insbesondere einen elektrischen Strom) zu erzeugen. Die elektrische Leistung des Brennstoffzellenstapels kann von dem Massenstrom an Oxidationsmittel abhängen. Ferner kann die von dem Brennstoffzellensystem bereitgestellte elektrische Leistung von der elektrischen Leistung des Brennstoffzellenstapels und von der Verbrauchs- oder Rekuperationsleistung des Oxidationsmittelförderers abhängen. Die Verbrauchs- oder Rekuperationsleistung des Oxidationsmittelförderers kann somit Teil der effektiven elektrischen Leistung des Brennstoffzellensystems sein (und die elektrische Leistung des Brennstoffzellenstapels reduzieren bzw. erhöhen).
Die Vorrichtung ist eingerichtet, in Abhängigkeit von einer Leistungsvorgabe für das Brennstoffzellensystem (d.h. für die von dem Brennstoffzellensystem bereitgestellten elektrischen Leistung) einen Sollwert für den Massenstrom an Oxidationsmittel zu ermitteln, der durch den Oxidationsmittelförderer zu bewirken ist. Der Sollwert für den Massenstrom kann anhand eines Modells ermittelt werden, der den Zusammenhang zwischen Massenstrom und elektrischer Leistung angibt.
Des Weiteren kann die Vorrichtung eingerichtet sein, anhand eines Massenstromreglers und auf Basis des Sollwertes für den Massenstrom an Oxidationsmittel einen Sollwert für den (drehmomentgebenden und/oder drehmomentbildenten) Strom zum Betrieb des Motors zu ermitteln. Dabei kann insbesondere der Sollwert für den Querstrom im dq-Koordinatensystem des Motors (z.B. eines Drehstrommotors bzw. einer Drehstrommaschine) ermittelt werden. Bei Verwendung eines Gleichstrommotors kann der Sollwert für den Ankerstrom des Ankers des Gleichstrommotors ermittelt werden.
Der Massenstromregler kann ausgebildet sein, auf Basis des Massenstrom-Regelfehlers, insbesondere auf Basis der Abweichung des Istwertes des Massenstroms an Oxidationsmittel von dem Sollwert des Massenstroms an Oxidationsmittel, direkt, insbesondere ohne Verwendung eines Drehzahlreglers zur Regelung der Drehzahl des Motors, den Sollwert des (drehmomentgebenden und/oder drehmomentbildenten) (Quer-) Stroms zu ermitteln. Alternativ oder ergänzend kann der Massenstromregler ausgebildet sein, den Sollwert des Stroms direkt als Stellgröße für den Betrieb des Motors des Oxidationsmittelförderers zur Einstellung des Sollwertes des Massenstroms an Oxidationsmittel bereitzustellen.
Der Sollwert des (drehmomentgebenden und/oder drehmomentbildenten) (Quer-) Stroms (und damit des Drehmoments des Motors) wird somit bevorzugt direkt durch den Massenstromregler ermittelt, um eine besonders dynamische und schwingungsfreie Einstellung der elektrischen Leistung des Brennstoffzellensystems zu bewirken.
Die Vorrichtung ist ferner eingerichtet, einen Grenzindikator zu ermitteln, der angibt, ob die Mindestdrehzahl des Motors erreicht oder unterschritten wird, oder ob die Maximaldrehzahl des Motors erreicht oder überschritten wird. Der Istwert der Drehzahl des Motors kann anhand eines Drehzahlsensors und/oder anhand eines Motormodells (z.B. bei Verwendung einer sensorlosen Regelung) ermittelt werden. Der Grenzindikator kann dann durch einen Vergleich des Istwertes der Drehzahl mit der Mindest- bzw. Maximaldrehzahl ermittelt werden.
Des Weiteren ist die Vorrichtung eingerichtet, den Motor des Oxidationsmittelförderers anhand eines Stromreglers, auf Basis des Sollwertes für den (drehmomentgebenden und/oder drehmomentbildenten) Strom und unter Berücksichtigung des Grenzindikators zu betreiben. So kann die elektrische Leistung des Brennstoffzellensystems in dynamischer Weise und schwingungsfrei eingestellt werden.
Die Vorrichtung kann insbesondere eingerichtet sein, den Sollwert für den (drehmomentgebenden und/oder drehmomentbildenten) Strom, insbesondere im Rahmen des Betriebs des Stromreglers, zu ignorieren, wenn der Grenzindikator angibt, dass die Mindestdrehzahl des Motors erreicht oder unterschritten wird, oder dass die Maximaldrehzahl des Motors erreicht oder überschritten wird. Andererseits kann die Vorrichtung eingerichtet sein, den Sollwert für den (drehmomentgebenden und/oder drehmomentbildenten) Strom im Rahmen des Betriebs des Stromreglers zu berücksichtigen, insbesondere den Istwert des (Quer) Stroms anhand des Stromreglers auf den Sollwert des (Quer-) Stroms zu regeln, wenn der Grenzindikator angibt, dass die Drehzahl des Motors (d.h. der Istwert der Drehzahl) größer als die Mindestdrehzahl und/oder kleiner als die Maximaldrehzahl des Motors ist.
Alternativ oder ergänzend kann die Vorrichtung eingerichtet sein, anhand eines Drehzahlreglers einen alternativen Sollwert des Stroms zu ermitteln, um zu bewirken, dass die Drehzahl des Motors die Mindestdrehzahl nicht unterschreitet und/oder die Maximaldrehzahl nicht überschreitet.
Es kann in Abhängigkeit von dem Grenzindikator der von dem Massenstromsensor ermittelte Sollwert des (Quer-) Stroms oder der von dem Drehzahlregler ermittelte alternative Sollwert des (Quer-) Stroms als Sollvorgabe für den Stromregler verwendet werden. Die Vorrichtung kann insbesondere eingerichtet sein, den von dem Massenstromsensor ermittelten Sollwert des Stroms als Sollvorgabe für den Stromregler zu verwenden, wenn der Grenzindikator angibt, dass die Drehzahl des Motors größer als die Mindestdrehzahl und/oder kleiner als die Maximaldrehzahl des Motors ist. Andererseits kann die Vorrichtung eingerichtet sein, den von dem Drehzahlregler ermittelten alternativen Sollwert des Stroms als Sollvorgabe für den Stromregler zu verwenden, wenn der Grenzindikator angibt, dass die Mindestdrehzahl des Motors erreicht oder unterschritten wird, oder dass die Maximaldrehzahl des Motors erreicht oder überschritten wird.
So kann in besonders effizienter und zuverlässiger Weise eine schwingungsfreie Leistung des Brennstoffzellensystems bewirkt werden.
Die Vorrichtung kann eingerichtet sein, zu detektieren, dass die von dem Brennstoffzellensystem bereitgestellte elektrische Leistung die Leistungsvorgabe für das Brennstoffzellensystem überschreitet. In Reaktion darauf kann durch eine kurzfristige Erhöhung des Sollwertes des Stroms bewirkt werden, dass die elektrische Verbrauchsleistung des Oxidationsmittelförderers erhöht wird, um die von dem Brennstoffzellensystem bereitgestellte elektrische Leistung zu reduzieren.
Alternativ oder ergänzend kann die Vorrichtung eingerichtet sein, zu detektieren, dass die von dem Brennstoffzellensystem bereitgestellte elektrische Leistung die Leistungsvorgabe für das Brennstoffzellensystem unterschreitet. In Reaktion darauf kann durch eine kurzfristige Reduzierung des Sollwertes des Stroms, insbesondere durch Vorgabe eines negativen Sollwertes des Stroms, bewirkt werden, dass die elektrische Verbrauchsleistung des Oxidationsmittelförderers reduziert wird, insbesondere, dass von dem Motor des Oxidationsmittelförderers elektrische Energie rekuperiert wird, um die von dem Brennstoffzellensystem bereitgestellte elektrische Leistung zu erhöhen.
Die Vorrichtung kann somit ausgebildet sein, die Trägheit des Brennstoffzellenstapels zu nutzen, um kurzfristige Anpassungen der elektrischen Leistung des Brennstoffzellensystems zu bewirken. So kann die Zuverlässigkeit der Leistungsbereitstellung des Brennstoffzellensystems weiter erhöht werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Brennstoffzellensystem beschrieben, das die in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung umfasst.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein (Straßen-) Kraftfahrzeug (insbesondere ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen oder ein Bus oder ein Motorrad) beschrieben, das die in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung und/oder das in diesem Dokument beschriebene Brennstoffzellensystem umfasst.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Betrieb eines Oxidationsmittelförderers eines Brennstoffzellensystems beschrieben, wobei der Oxidationsmittelförderer einen elektrischen Motor zum Antrieb des Oxidationsmittelförderers zur Förderung von Oxidationsmittel umfasst. Das Verfahren umfasst das Ermitteln, in Abhängigkeit von einer Leistungsvorgabe für das Brennstoffzellensystem, eines Sollwerts für den Massenstrom an Oxidationsmittel, der durch den Oxidationsmittelförderer zu bewirken ist. Das Verfahren umfasst ferner das Ermitteln, anhand eines Massenstromreglers auf Basis des Sollwertes für den Massenstrom an Oxidationsmittel und ohne Verwendung eines Drehzahlsensors eines Sollwerts für den (drehmomentgebenden und/oder drehmomentbildenten) (Quer-) Strom zum Betrieb des Motors.
Des Weiteren umfasst das Verfahren das Ermitteln eines Grenzindikators, der angibt, ob die Mindestdrehzahl des Motors erreicht oder unterschritten oder die Maximaldrehzahl des Motors erreicht oder überschritten wird. Das Verfahren umfasst ferner das Betreiben des Motors des Oxidationsmittelförderers anhand eines Stromreglers, auf Basis des Sollwertes für den (drehmomentgebenden und/oder drehmomentbildenten) Strom und unter Berücksichtigung des Grenzindikators.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Software (SW) Programm beschrieben. Das SW Programm kann eingerichtet werden, um auf einem Prozessor (z.B. auf einem Steuergerät eines Fahrzeugs) ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Speichermedium beschrieben. Das Speichermedium kann ein SW Programm umfassen, welches eingerichtet ist, um auf einem Prozessor ausgeführt zu werden, und um dadurch das in diesem Dokument beschriebene Verfahren auszuführen.
Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Des Weiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Ferner sind in Klammern aufgeführte Merkmale als optionale Merkmale zu verstehen.
Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen

1 ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel;
2 einen beispielhaften Aufbau einer Brennstoffzelle;
3 ein beispielhaftes Kathodensubsystem eines Brennstoffzellenstapels;
4a und 4b eine beispielhafte Vorrichtung zum Betrieb eines Oxidationsmittelförderers eines Brennstoffzellensystems; und
5 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum (schwingungsfreien) Betrieb eines Oxidationsmittelförderers.

Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der effizienten und zuverlässigen Vermeidung von Schwingungen der Systemleistung eines Brennstoffzellensystems. In diesem Zusammenhang zeigt 1 ein Brennstoffzellensystem 100 mit einem Brennstoffzellenstapel 102 mit mindestens einer Brennstoffzelle 101. Das Brennstoffzellensystem 100 ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge gedacht, insbesondere zur Bereitstellung der elektrischen Energie für mindestens eine elektrische Antriebsmaschine zur Fortbewegung eines Kraftfahrzeugs. Eine Brennstoffzelle 101 ist ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Eine Brennstoffzelle 101 umfasst (wie in 2 dargestellt) eine Anode 201 und eine Kathode 202, die durch einen ionenselektiven bzw. ionenpermeablen Separator 203 getrennt sind. Die Anode 201 wird mit Brennstoff 211 versorgt. Bevorzugte Brennstoffe 211 sind: Wasserstoff (H₂), niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode 202 wird mit Oxidationsmittel 212 versorgt. Bevorzugte Oxidationsmittel 212 sind: Luft, Sauerstoff und Peroxide. Der ionenselektive Separator 203 kann beispielsweise als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind beispielsweise: Nafion®, Flemion® und Aciplex®.
Ein Brennstoffzellensystem 100 umfasst neben der mindestens einen Brennstoffzelle 101 periphere Systemkomponenten (BOP-Komponenten), die beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle 101 zum Einsatz kommen können. In der Regel sind mehrere Brennstoffzellen 101 zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack 102 zusammengefasst. Des Weiteren umfasst das Brennstoffzellensystem 100 typischerweise zumindest einen Druckbehälter, insbesondere Drucktank, 110, der dazu verwendet werden kann, den Brennstoff 211 für die ein oder mehreren Brennstoffzellen 101 bereitzustellen. Der Druckbehälter 110 ist über ein oder mehrere Leitungen 112 mit den ein oder mehreren Brennstoffzellen 101 verbunden. Die von dem Brennstoffzellenstapel 102 bereitgestellte elektrische Leistung kann von einer (Steuer-) Vorrichtung 103 des Brennstoffzellensystems 100 gesteuert und/oder geregelt werden. In diesem Zusammenhang kann der Massenstrom an Brennstoff 211 und/oder der Massenstrom an Oxidationsmittel 212 in den Brennstoffzellenstapel 102 gesteuert und/oder geregelt werden. Der Massenstrom an Oxidationsmittel 212 kann durch einen Oxidationsmittelförderer 205, insbesondere durch einen Kompressor, eingestellt und/oder verändert werden.
Die Anode 201 und die Kathode 202 einer Brennstoffzelle 101 bzw. eines Brennstoffzellenstapels 102 können mit Kontaktteilen 204 verbunden sein. Zwischen den Kontaktteilen 204 liegt typischerweise eine Betriebsspannung an (z.B. ca. 1V für eine Brennstoffzelle 101) und es kann ein Strom bereitgestellt werden. Durch die Reihenschaltung von mehreren Brennstoffzellen 101 (d.h. durch die Bereitstellung eines Stacks bzw. Brennstoffzellenstapels 102) kann die Betriebsspannung des Brennstoffzellenstapels 102 erhöht werden.
Die Brennstoffzellen 101 des Brennstoffzellenstapels 102 umfassen in der Regel jeweils zwei Separatorplatten (nicht dargestellt). Der ionenselektive Separator 203 einer Brennstoffzelle 101 ist in der Regel jeweils zwischen zwei Separatorplatten angeordnet. Die eine Separatorplatte bildet zusammen mit dem ionenselektiven Separator 203 die Anode 201 aus. Die auf der gegenüberliegenden Seite des ionenselektiven Separators 203 angeordnete weitere Separatorplatte bildet indes zusammen mit dem ionenselektiven Separator 203 die Kathode 202 aus. In den Separatorplatten sind bevorzugt Gaskanäle für Brennstoff 211 bzw. für Oxidationsmittel 212 vorgesehen.
Die Separatorplatten können als Monopolarplatten und/oder als Bipolarplatten ausgebildet sein. Mit anderen Worten weist eine Separatorplatte zweckmäßig zwei Seiten auf, wobei die eine Seite zusammen mit einem ionenselektiven Separator 203 die Anode 201 einer ersten Brennstoffzelle 101 ausbildet und wobei die zweite Seite zusammen mit einem weiteren ionenselektiven Separator 203 einer benachbarten zweiten Brennstoffzelle 101 die Kathode 202 der zweiten Brennstoffzelle 101 ausbildet.
Zwischen den ionenselektiven Separatoren 203 und den Separatorplatten sind in der Regel noch sogenannte Gasdiffusionsschichten bzw. Gasdiffusionslagen (GDL) vorgesehen.
Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst, wie beispielhaft in 3 dargestellt, ein Kathodensubsystem 300 (mit ein oder mehreren kathodenseitigen Komponenten), das von den oxidationsmittelführenden Bauelementen des Brennstoffzellensystems 100 ausgebildet wird. Das Kathodensubsystem 300 kann mindestens einen Oxidationsmittelförderer 205, mindestens einen zum Kathodeneinlass 322 führenden Kathodenversorgungspfad, mindestens einen vom Kathodenauslass 323 wegführenden Kathodenabgaspfad, einen Kathodenraum 320 im Brennstoffzellenstapel 102 und/oder weitere Elemente aufweisen. Hauptaufgabe des Kathodensubsystems 300 ist die Heranführung und Verteilung von Oxidationsmittel 212 an die elektrochemisch aktiven Flächen des Kathodenraums 320 und die Abfuhr von unverbrauchtem Oxidationsmittel 212.
Das Kathodensubsystem 300 kann auf dem Kathodenversorgungspfad einen Einlass 311 für Oxidationsmittel 212 (z.B. für Umgebungsluft) umfassen. Das Oxidationsmittel 212 kann dann in einem (Luft-) Filter 301 gefiltert werden, bevor das Oxidationsmittel 212 zu dem Oxidationsmittelförderer 205 geleitet wird. Der Oxidationsmittelförderer 205 kann durch einen (elektrischen) Motor bzw. durch eine elektrische Maschine 310 angetrieben werden. Der Motor bzw. die elektrische Maschine 310 kann ein oder mehrere Motorlager aufweisen, die mit Oxidationsmittel 212 betrieben werden (anstatt mit Schmiermittel), um Verunreinigungen des Kathodensubsystems 300 und/oder des Brennstoffzellenstapels 102 zu vermeiden. Das Oxidationsmittel 212 für den Betrieb des Motors 310 kann über einen Lagerpfad 314 aus dem Kathodenversorgungspfad entnommen werden.
Am Eingang 312 des Oxidationsmittelförderers 205 und/oder an dem Ausgang des Filters 301 kann ein Massenstromsensor 302 angeordnet sein, der eingerichtet ist, Massenstrom-Messwerte in Bezug auf den Massenstrom an Oxidationsmittel 212 am Eingang 312 des Oxidationsmittelförderers 205 und/oder an dem Ausgang des Filters 301 zu erfassen (z.B. für eine Massenstrom-Regelung des Oxidationsmittelförderers 205).
Das Oxidationsmittel 212 kann durch einen Oxidationsmittel-Kühler 309 zu dem Kathodenraum 320 gefördert werden. Am Ausgang des Oxidationsmittel-Kühlers 309 kann eine Abzweigung von Oxidationsmittel 212 zu dem Lagerpfad 314 angeordnet sein. Von dem Massenstrom des Oxidationsmittels 212 am Ausgang des Oxidationsmittel-Kühlers 309 kann somit ein (relativ großer) Teil in den Kathodenraum 320 und ein (dazu komplementärer) Teil zu den ein oder mehreren Lagern des Motors 310 des Oxidationsmittelförderers 205 geführt werden. Der Teil des Oxidationsmittels 212 für die ein oder mehreren Lager des Motors 310 kann auf Basis eines Modells ermittelt werden (wobei das Modell z.B. von der Drehzahl des Motors 310 abhängt). So kann der verbleibende Massenstrom an Oxidationsmittel 212 ermittelt werden, der dem Kathodenraum 320 zugeführt wird.
An der Zuleitung 322 zu dem Kathodenraum 320 kann ein Eingangs- bzw. Zuleitungs-Ventil 307 angeordnet sein, das ausgebildet ist, den Massenstrom an Oxidationsmittel 212 in den Kathodenraum 320 zu steuern. Das Eingangs-Ventil 307 kann z.B. geschlossen werden, um zu bewirken, dass dem Kathodenraum 320 und/oder dem Brennstoffzellenstapel 102 kein Oxidationsmittel 212 mehr zugeführt wird. Andererseits kann das Eingangs-Ventil 307 geöffnet werden, um die Zuführung von Oxidationsmittel 212 zu dem Kathodenraum 320 und/oder zu dem Brennstoffzellenstapel 102 zu ermöglichen.
Die Reaktionsproduktableitung 323 aus dem Kathodenraum 320 kann zu dem Auslass 319 des Kathodensubsystems 300 geleitet werden. Ferner kann das Kathodensubsystem 300 einen Bypasspfad 315 für Oxidationsmittel 212 aufweisen, der von dem Ausgang 313 des Oxidationsmittelförderers 205 zu dem Auslass 319 des Kathodensubsystems 300 verläuft, um überschüssiges Oxidationsmittel 212 (z.B. bei Start-Up des Brennstoffzellenstapels 102) direkt aus dem Kathodensubsystems 300 leiten zu können. Auf dem Bypasspfad 315 kann ein Bypass-Ventil 306 (zur Steuerung des Massenstroms an Oxidationsmittel 212 auf dem Bypasspfad 315) angeordnet sein. Wenn das Bypass-Ventil 306 geöffnet ist, fließt ein Teil des Oxidationsmittels 212 am Ausgang 313 des Oxidationsmittelförderers 205 in die Zuleitung 316 zu dem Oxidationsmittel-Kühler 309 und ein komplementärer Teil in den Bypasspfad 315.
An der Ableitung 323 aus dem Kathodenraum 320 kann ein Ausgangs-Ventil 303 angeordnet sein, das ausgebildet ist, den Massenstrom an Oxidationsmittel 212 aus dem Kathodenraum 320 zu steuern. Das Ausgangs-Ventil 303 kann z.B. geschlossen werden, um zu bewirken, dass aus dem Kathodenraum 320 und/oder aus dem Brennstoffzellenstapel 102 kein Oxidationsmittel 212 mehr abgeführt wird. Andererseits kann das Ausgangs-Ventil 303 geöffnet werden, um die Abführung von Oxidationsmittel 212 aus dem Kathodenraum 320 und/oder aus dem Brennstoffzellenstapel 102 zu ermöglichen.
Zur Steuerung und/oder Regelung des Massenstroms an Oxidationsmittel 212 in den Kathodenraum 320 können die Massenstrom-Messwerte des Massenstromsensors 302 verwendet werden, um den Istwert des Massenstroms zu ermitteln. Dabei kann der Massenstrom an Oxidationsmittel 212 über den BypassPfad 315 und/oder über den Lagerpfad 314 berücksichtigt werden, um basierend auf dem Massenstrom-Messwerte des Massenstromsensors 302 den Istwert des Massenstroms in den Kathodenraum 320 zu ermitteln.
Wie bereits weiter oben dargelegt, kann der von dem Brennstoffzellenstapel 102 erzeugte elektrische Strom für den Betrieb einer elektrischen Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs verwendet werden. Dabei kann der generierte Strom über einen (Gleichspannungs-) Wandler 120 auf das Spannungsniveau des elektrischen Bordnetzes des Kraftfahrzeugs gewandelt werden (z.B. auf ein Hochvolt-Niveau von 300V oder mehr). Ferner kann der gewandelte Strom in einem elektrischen Energiespeicher 121 gespeichert werden. Der Oxidationsmittelförderer 205 des Brennstoffzellensystems 100 kann über das elektrische Bordnetz des Kraftfahrzeugs mit Strom versorgt werden. Mit anderen Worten, der Oxidationsmittelförderer 205 kann ein elektrischer Verbraucher innerhalb des Bordnetzes sein.
Der Oxidationsmittelförderer 205 des Brennstoffzellensystems 100 kann mit dem Regelungsziel betrieben werden, die Drehzahl des Oxidationsmittelförderers 205 auf einen bestimmten Sollwert einzustellen, um den (von dem Oxidationsmittelförderer 205 geförderten) Massenstrom an Oxidationsmittel 212 auf einen bestimmten Sollwert einzustellen. Der Sollwert für den Massenstrom hängt typischerweise von der elektrischen Soll-Leistung ab, die von dem Brennstoffzellenstapel 102 (z.B. für den Betrieb einer elektrischen Antriebsmaschine) und/oder von dem Brennstoffzellensystem 100 bereitzustellen ist.
Wie eingangs dargelegt, kann es bei der Einstellung, insbesondere bei der Regelung, der Leistung eines Brennstoffzellensystems 100 zu Schwingungen kommen, die insbesondere dadurch hervorgerufen werden, dass die Leistung indirekt über eine relativ große Anzahl von Regelgrößen, insbesondere den Massenstrom an Oxidationsmittel 212, die Drehzahl des Motors 310 des Oxidationsmittelförderers 205 und den Strom des Motors 310, eingestellt, insbesondere geregelt, wird.
4a zeigt eine beispielhafte Vorrichtung 400 zum Betrieb eines Oxidationsmittelförderers 205, insbesondere zum Betrieb des Motors 310 eines Oxidationsmittelförderers 205, bei der anhand eines Massenstromreglers 411 direkt der Sollwert 404 für den Strom, insbesondere für den Querstrom I_q, des Motors 310 ermittelt wird (ohne, dass dazu ein zusätzlicher Drehzahlregler zur Regelung der Drehzahl des Motors 310 verwendet wird). Auf Basis der Messwerte des Massenstromsensors 302 und/oder auf Basis eines Modells für den Massenstrom an Oxidationsmittel 212 kann der Istwert 402 des Massenstroms an Oxidationsmittel 212 ermittelt werden. Ferner kann auf Basis des Sollwertes für die von dem Brennstoffzellensystem 100 bereitzustellende elektrische Leistung ein Sollwert 401 für den Massenstrom an Oxidationsmittel 212 ermittelt werden. Aus der Differenz zwischen Sollwert 401 und Istwert 402 ergibt sich der Regelfehler 403 als Eingangswert für den Massenstromregler 411.
Der Massenstromregler 411 kann einen PI (Proportional, Integral) Regler umfassen. Ferner kann der Massenstromregler 411 ausgebildet sein, auf Basis des Regelfehlers 403 direkt (als Stellgröße) den Sollwert 404 für den (Quer-) Strom des Motors 310 bereitzustellen.
Die Vorrichtung 400 kann ferner einen Stromregler 412 (z.B. einen PI-Regler) umfassen (z.B. als Teil des Inverters 415 für den Betrieb des Motors 310), der eingerichtet ist, auf Basis des Regelfehlers 406 des (Quer-) Stroms als Stellgröße eine Steuerspannung 407 für den Betrieb des Motors 310 zu ermitteln (z.B. für ein oder mehrere Phasen des Motors 310). Der Regelfehler 406 kann als Differenz aus dem Sollwert 404 und dem Istwert 405 des (Quer-) Stroms ermittelt werden (wobei der Istwert 405 des Stroms anhand von ein oder mehreren Stromsensoren (für ein oder mehrere Phasen des Motors 310) ermittelt werden kann.
Im Rahmen des Betriebs des Oxidationsmittelförderers 205 ist typischerweise zu beachten, dass eine Mindestdrehzahl des Motors 310 nicht unterschritten und/oder dass eine Maximaldrehzahl des Motors 310 nicht überschritten wird. 4b zeigt einen beispielhaften Grenzregler 420 (als Teil der Vorrichtung 400), der ausgebildet ist, auf Basis der Mindest- und/oder Maximaldrehzahl 421 und auf Basis des Istwertes 422 der Drehzahl des Motors 310 (der z.B. anhand eines Drehzahlsensors ermittelt werden kann), einen Grenzindikator 423 zu ermitteln, der angibt, ob die Mindest- und/oder Maximaldrehzahl 421 des Motors 310 eingehalten (oder ggf. unter- bzw. überschritten) wird. Der Grenzindikator 423 kann z.B. von der Differenz zwischen der Mindest- und/oder Maximaldrehzahl 421 und dem Istwert 422 der Drehzahl abhängen, oder dieser Differenz entsprechen.
Der Stromregler 412 kann ausgebildet sein, den Grenzindikator 423 bei der Einstellung des (Quer-) Stroms des Motors 310 zu berücksichtigen. Insbesondere kann durch den Stromregler 412 bewirkt werden, dass

• der (Quer-) Strom des Motors 310 nicht weiter erhöht wird, wenn der Grenzindikator 423 angibt, dass die Maximaldrehzahl 421 des Motors 310 erreicht wurde; und/oder
• der (Quer-) Strom des Motors 310 nicht weiter reduziert wird, wenn der Grenzindikator 423 angibt, dass die Mindestdrehzahl 421 des Motors 310 erreicht wurde.

Es wird somit eine Vorrichtung 400 zum Betrieb des Motors 310 eines Oxidationsmittelförderers 205 beschrieben, durch die Schwingungen der Leistung eines Brennstoffzellensystems 100 in effizienter und zuverlässiger Weise vermieden werden können.
Wie weiter oben dargelegt, kann durch den Inverter 415 eines Kompressors (allgemein eines Oxidationsmittelförderers) 205 eine Drehzahlregelung bewirkt werden, die die Aufgabe hat, eine jeweils vorgegebene Solldrehzahl aus einem Luftmassenstromregler 411 möglichst schnell mit einem Beschleunigungsmoment des Motors 310 (durch einen Querstrom) umzusetzen. Nach Erreichen der Solldrehzahl kann das Beschleunigungsmoment zurückgenommen werden, und es kann bewirkt werden, dass nur das Drehmoment zur Kompensation des Lastmoments gestellt wird.
Das dynamische Nachführen des Luftmassenstroms, insbesondere in einem Teillastbereich des Brennstoffzellensystems 100, führt typischerweise dazu, dass die Solldrehzahl ständig variiert und sofort durch den Drehzahlregler umgesetzt wird. Dies kann zu einer schwingenden Leistungsaufnahme des Kompressors 205, und somit zu einer schwingenden Systemleistung des Brennstoffzellensystems 100 führen. Der Drehzahlregler manipuliert hochfrequent die Kompressorleistung für das Nachführen der Drehzahl, und prägt somit eine Störung auf die Systemleistung und/oder auf die Leistungsregelung des Brennstoffzellensystems 100 auf.
Für die Luftregelung ist die exakte Nachführung der Drehzahl typischerweise nicht erforderlich, und es ist meist ausreichend, eine Beschleunigung und/oder Verzögerung des Kompressors 205 zu bewirken, um einen neuen Arbeitspunkt (Luftvorgabe) des Kompressors 205 zu erreichen. Die in diesem Dokument beschriebene Vorrichtung 400 zum Betrieb eines Kompressors 205 verzichtet auf die Verwendung eines Drehzahlreglers, um Schwingungen der Leistung des Brennstoffzellensystems 100 in effizienter und zuverlässiger Weise zu vermeiden.
Der Kompressor 205 kann beim Start des Brennstoffzellensystems 100 mittels einer Drehzahlvorgabe bis zu der Mindestdrehzahl 421 beschleunigt werden. Zur Bereitstellung der Systemleistung kann der Luftregler 411 aktiviert werden, der den Luftbedarf zur Leistungsabgabe umsetzt. Der Luftregler 411 stellt direkt über den (Quer-) Strom des Kompressors 205 den gewünschten Luftmassenstrom ein. Der Wechsel eines Arbeitspunktes des Kompressors 205 wird dabei ausschließlich über das Kriterium „Sollluftmassenstrom einstellen“ bestimmt, sodass sich ein glatter Verlauf der Verbrauchsleistung des Kompressors 205 (und damit auch der Systemleistung des Brennstoffzellensystems 100) ergibt.
Es kann über eine Grenzregelung 420 sichergestellt werden, dass die Mindest- und Maximaldrehzahl 421 des Kompressors 205 eingehalten werden. Bei einer relativ starken Verzögerung des Kompressors 205 durch den Luftregler 411 kann die Vorrichtung 400 (insbesondere der Stromregler 412) begrenzend eingreifen, wenn die Mindestdrehzahl 421 erreicht wird. Es kann dann die durch den Massenstromregler 411 bewirkte (externe) Querstromvorgabe 404 ignoriert werden. In entsprechender Weise kann bei einer relativ starken Beschleunigung des Kompressors 205 durch den Luftregler 411 eingegriffen werden, wenn die Maximaldrehzahl 421 erreicht wird. Es kann dann die durch den Massenstromregler 411 bewirkte (externe) Querstromvorgabe 404 ignoriert werden.
Es wird somit ein Verfahren zur Verbesserung der Leistungsregelung in einem Brennstoffzellensystem 100 beschrieben. Dabei kann durch den Kompressorinverter 415 eine Drehzahl- und Querstromregelung unterstützt werden. Bei Bedarf kann ein Moduswechsel für die Regelung bewirkt werden. Ggf. kann bei Bedarf zwischen einer Drehzahlreglung und einer direkten Querstromregelung umgeschaltet werden. Die Drehzahlregelung kann vorübergehend bewirkt werden, um ein Unterschreiten der Mindestdrehzahl 421 oder ein Überschreiten der Maximaldrehzahl 421 zu vermeiden.
Der Kompressorinverter 415 kann ausgebildet sein, während der Querstromregelung die Mindest- und Maximaldrehzahl 421 des Kompressors 205 zu überwachen. Bei Bedarf kann die externe Sollquerstromvorgabe 404 ignoriert werden, wenn die jeweilige Grenzdrehzahl 421 verletzt wird.
Der Luftmassenstromregler 411 im Brennstoffzellensystem 100 kann direkt den Sollquerstrom 404 als Stellgröße verwenden, um den gewünschten Luftmassenstrom 401 umzusetzen.
Im Rahmen des Betriebs des Kompressors 205 kann eine Einstellung der elektrischen Rekuperationsleistung des Kompressors 205 über den Querstrom bei der Regelung der Systemleistung in dem Brennstoffzellensystem 100 erfolgen. In Bezug auf die Regelung der Systemleistung kann bei einer Beschleunigung und/oder bei einer Verzögerung des Kompressors 205 der Querstrom als weiterer Leistungssteller genutzt werden. Bei einer positiven Abweichung in der Systemleistung des Brennstoffzellensystems 100 kann die Verbraucherleistung (des Kompressors 205) durch Beschränkung des maximal möglichen Querstroms reduziert werden. Bei einer negativen Abweichung in der Systemleistung kann ein negativer Querstrom gestellt werden (wodurch der Kompressor 205 abgebremst wird), um generatorisch kurzzeitig Leistung zurückzugewinnen. Ein derartiger Betrieb ist typischerweise bei Verwendung einer Drehzahlregelung nicht umsetzbar.
Der Oxidationsmittelförderer 205, insbesondere der Motor 310 des Oxidationsmittelförderers 205, kann somit dazu genutzt werden, in effizienter und zuverlässiger Weise Überschreitungen und/oder Unterschreitungen der Sollleistung des Brennstoffzellensystems auszugleichen.
Durch die in diesem Dokument beschriebenen Maßnahmen kann die Regelstrecke zum Betrieb eines Oxidationsmittelförderers 205 verkürzt werden, wodurch die Dynamik der Luftregelung erhöht werden kann. Ferner kann ein Verhalten der Luftregelung und/oder ein Verlauf der Verbraucherleistung bewirkt werden, das bzw. der unabhängig von der Dimensionierung der Drehzahlregelung ist. Ferner können hochfrequente Leistungsänderung der Verbraucherleistung aufgrund des Drehzahlreglers vermieden werden. Des Weiteren wird eine vollständige Kontrolle der Leistung des Oxidationsmittelförderers 205 durch direkte Vorgabe des Querstroms und/oder des Drehmoments ermöglicht. Außerdem können eine Verbesserung der Leistungsregelung im Brennstoffzellensystem 100 und/oder eine Reduktion von Störungen in dem Hochvolt-Bordnetz bewirkt werden.
5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften (ggf. Computerimplementierten) Verfahrens 500 zum Betrieb eines Oxidationsmittelförderers 205 eines Brennstoffzellensystems 100, wobei der Oxidationsmittelförderer 205 einen elektrischen Motor 310 (insbesondere eine Synchronmaschine) zum Antrieb des Oxidationsmittelförderers 205 zur Förderung von Oxidationsmittel 212 umfasst.
Das Verfahren 500 umfasst das Ermitteln 501, in Abhängigkeit von der Leistungsvorgabe für die von dem Brennstoffzellensystem 100 zu erbringende elektrische Leistung, eines Sollwerts 401 für den Massenstrom an Oxidationsmittel 212, der durch den Oxidationsmittelförderer 205 zu bewirken ist. Der Sollwert 401 für den Massenstrom kann anhand eines Modells des Brennstoffzellensystems 100, insbesondere des Brennstoffzellenstapels 102, ermittelt werden, das den Zusammenhang zwischen Massenstrom an Oxidationsmittel 212 und der elektrischen Leistung beschreibt.
Des Weiteren umfasst das Verfahren 500 das Ermitteln 502, anhand eines Massenstromreglers 411 und auf Basis des Sollwertes 401 für den Massenstrom an Oxidationsmittel 212, eines Sollwerts 404 für einen Strom, insbesondere für den Querstrom I_q, zum Betrieb des Motors 310, insbesondere derart, dass der Istwert 402 des Massenstroms auf den Sollwert 401 des Massenstroms eingestellt, insbesondere geregelt, wird.
Das Verfahren 500 umfasst ferner das Ermitteln 503 eines Grenzindikators 423, der angibt, ob die Mindestdrehzahl 421 des Motors 310 erreicht oder unterschritten oder die Maximaldrehzahl 421 des Motors 310 erreicht oder überschritten wird. Der Grenzindikator 423 kann auf Basis von Messwerten eines Drehzahlsensors des elektrischen Motors 310 ermittelt werden.
Des Weiteren umfasst das Verfahren 500 das Betreiben 504 des Motors 310 des Oxidationsmittelförderers 205 anhand eines Stromreglers 412, auf Basis des Sollwertes 404 für den Strom und unter Berücksichtigung des Grenzindikators 423.
Durch die in diesem Dokument beschriebenen Maßnahmen können in effizienter und zuverlässiger Weise Schwingungen der Verbrauchsleistung eines Oxidationsmittelförderers 205 und (als Folge daraus) Schwingungen der Leistung eines Brennstoffzellensystems 100 vermieden werden, um einen besonders stabilen und schonenden Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 zu bewirken.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur beispielhaft das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.
Bezugszeichenliste

100: Brennstoffzellensystem
101: Brennstoffzelle
102: Brennstoffzellenstapel
103: (Steuer-) Vorrichtung
110: Druckbehälter
112: Brennstoffleitung
120: Gleichspannungswandler
121: elektrischer Energiespeicher
201: Anode
202: Kathode
203: Separator
204: Kontaktteil (Elektrode)
205: Oxidationsmittelförderer (Kompressor)
211: Brennstoff (insbesondere Wasserstoff)
212: Oxidationsmittel (insbesondere Luft)
300: Kathodensubsystem
301: Oxidationsmittelfilter
302: Massenstromsensor
303: Ventil
306: Ventil
307: Ventil
309: Oxidationsmittel-Kühler
310: Motor (Oxidationsmittelförderer)
311: Einlass (Kathodensubsystem)
312: Eingang (Oxidationsmittelförderer)
313: Ausgang (Oxidationsmittelförderer)
314: Lagerpfad
315: Bypasspfad (Oxidationsmittel)
316: Zuleitung zum Oxidationsmittel-Kühler
319: Auslass (Kathodensubsystem)
320: Kathodenraum
322: Kathodeneinlass
323: Kathodenauslass
400: Vorrichtung zum Betrieb des Oxidationsmittelförderers
401: Sollwert für den Massenstrom an Oxidationsmittel
402: Istwert für den Massenstrom an Oxidationsmittel
403: Regelfehler des Massenstromstromreglers
404: Sollwert des Querstroms des Motors des Oxidationsmittelförderers
405: Istwert des Querstroms
406: Regelfehler des Querstromreglers
407: Steuerspannung an dem Motor des Oxidationsmittelförderers
411: Massenstromregler
412: Stromregler
420: Grenzregler für die Überwachung der Mindest- und/oder der Maximaldrehzahl des Motors des Oxidationsmittelförderers
421: Mindest- oder Maximaldrehzahl
422: Istwert der Drehzahl
423: Grenzindikator für das Erreichen der Mindest- oder Maximaldrehzahl
500: Verfahren zur Reduzierung von Leistungsschwingungen eines Brennstoffzellensystems
501-504: Verfahrensschritte

Claims

Vorrichtung (103, 400) zum Betrieb eines Oxidationsmittelförderers (205) eines Brennstoffzellensystems (100); wobei der Oxidationsmittelförderer (205) einen elektrischen Motor (310) zum Antrieb des Oxidationsmittelförderers (205) zur Förderung von Oxidationsmittel (212) umfasst; wobei die Vorrichtung (103, 400) eingerichtet ist, - in Abhängigkeit von einer Leistungsvorgabe für das Brennstoffzellensystem (100) einen Sollwert (401) für einen Massenstrom an Oxidationsmittel (212) zu ermitteln, der durch den Oxidationsmittelförderer (205) zu bewirken ist; - anhand eines Massenstromreglers (411) und auf Basis des Sollwertes (401) für den Massenstrom an Oxidationsmittel (212) einen Sollwert (404) für einen Strom zum Betrieb des Motors (310) zu ermitteln; - einen Grenzindikator (423) zu ermitteln, der angibt, ob eine Mindestdrehzahl (421) des Motors (310) erreicht oder unterschritten oder eine Maximaldrehzahl (421) des Motors (310) erreicht oder überschritten wird; und - den Motor (310) des Oxidationsmittelförderers (205) anhand eines Stromreglers (412), auf Basis des Sollwertes (404) für den Strom und unter Berücksichtigung des Grenzindikators (423) zu betreiben.
Vorrichtung (103, 400) gemäß Anspruch 1, wobei die Vorrichtung (103, 400) eingerichtet ist, - den Sollwert (404) für den Strom, insbesondere im Rahmen eines Betriebs des Stromreglers (412), zu ignorieren, wenn der Grenzindikator (423) angibt, dass die Mindestdrehzahl (421) des Motors (310) erreicht oder unterschritten wird, oder dass die Maximaldrehzahl (421) des Motors (310) erreicht oder überschritten wird; und/oder - den Sollwert (404) für den Strom im Rahmen des Betriebs des Stromreglers (412) zu berücksichtigen, insbesondere einen Istwert (402) des Stroms anhand des Stromreglers (412) auf den Sollwert (404) des Stroms zu regeln, wenn der Grenzindikator (423) angibt, dass eine Drehzahl des Motors (310) größer als die Mindestdrehzahl (421) und/oder kleiner als die Maximaldrehzahl (421) des Motors (310) ist.
Vorrichtung (103, 400) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Massenstromregler (411) ausgebildet ist, - auf Basis eines Massenstrom-Regelfehlers (403), insbesondere auf Basis einer Abweichung eines Istwertes (402) des Massenstroms an Oxidationsmittel (212) von dem Sollwert (401) des Massenstroms an Oxidationsmittel (212), direkt, insbesondere ohne Verwendung eines Drehzahlreglers zur Regelung einer Drehzahl des Motors (310), den Sollwert (404) des Stroms zu ermitteln; und/oder - der Massenstromregler (411) ausgebildet ist, den Sollwert (404) des Stroms direkt als Stellgröße für den Betrieb des Motors (310) des Oxidationsmittelförderers (205) zur Einstellung des Sollwertes (401) des Massenstroms an Oxidationsmittel (212) bereitzustellen.
Vorrichtung (103, 400) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (103, 400) eingerichtet ist, - anhand eines Drehzahlreglers einen alternativen Sollwert des Stroms zu ermitteln, um zu bewirken, dass eine Drehzahl des Motors (310) die Mindestdrehzahl (421) nicht unterschreitet und/oder die Maximaldrehzahl (421) nicht überschreitet; und - in Abhängigkeit von dem Grenzindikator (423) den von dem Massenstromsensor (411) ermittelten Sollwert (404) des Stroms oder den von dem Drehzahlregler ermittelten alternativen Sollwert des Stroms als Sollvorgabe für den Stromregler (412) zu verwenden.
Vorrichtung (103, 400) gemäß Anspruch 4, wobei die Vorrichtung (103, 400) eingerichtet ist, - den von dem Massenstromsensor (411) ermittelten Sollwert (404) des Stroms als Sollvorgabe für den Stromregler (412) zu verwenden, wenn der Grenzindikator (423) angibt, dass die Drehzahl des Motors (310) größer als die Mindestdrehzahl (421) und/oder kleiner als die Maximaldrehzahl (421) des Motors (310) ist; und/oder - den von dem Drehzahlregler ermittelten alternativen Sollwert des Stroms als Sollvorgabe für den Stromregler (412) zu verwenden, wenn der Grenzindikator (423) angibt, dass die Mindestdrehzahl (421) des Motors (310) erreicht oder unterschritten wird, oder dass die Maximaldrehzahl (421) des Motors (310) erreicht oder überschritten wird.
Vorrichtung (103, 400) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - der Motor (310) mehrere Phasen aufweist und/oder eine Synchronmaschine umfasst; und - die Vorrichtung (103, 400) eingerichtet ist, den Sollwert (404) eines Querstroms in einem dq-Koordinatensystem zu ermitteln, und anhand des Stromreglers (412) einen Istwert (405) des Querstroms in Abhängigkeit von dem Sollwert (404) des Querstroms einzustellen, insbesondere zu regeln.
Vorrichtung (103, 400) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (103, 400) eingerichtet ist, - zu detektieren, dass eine von dem Brennstoffzellensystem (100) bereitgestellte elektrische Leistung die Leistungsvorgabe für das Brennstoffzellensystem (100) überschreitet; und - in Reaktion darauf durch eine kurzfristige Erhöhung des Sollwertes (404) des Stroms zu bewirken, dass eine elektrische Verbrauchsleistung des Oxidationsmittelförderers (205) erhöht wird, um die von dem Brennstoffzellensystem (100) bereitgestellte elektrische Leistung zu reduzieren.
Vorrichtung (103, 400) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (103, 400) eingerichtet ist, - zu detektieren, dass eine von dem Brennstoffzellensystem (100) bereitgestellte elektrische Leistung die Leistungsvorgabe für das Brennstoffzellensystem (100) unterschreitet; und - in Reaktion darauf durch eine kurzfristige Reduzierung des Sollwertes (404) des Stroms, insbesondere durch Vorgabe eines negativen Sollwertes (404) des Stroms, zu bewirken, dass eine elektrische Verbrauchsleistung des Oxidationsmittelförderers (205) reduziert wird, insbesondere, dass von dem Motor (310) des Oxidationsmittelförderers (205) elektrische Energie rekuperiert wird, um die von dem Brennstoffzellensystem (100) bereitgestellte elektrische Leistung zu erhöhen.
Vorrichtung (103, 400) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - das Brennstoffzellensystem (100) einen Brennstoffzellenstapel (102) umfasst, der eingerichtet ist, auf Basis von dem Oxidationsmittelförderer (205) geförderten Oxidationsmittel (212) und auf Basis eines Brennstoffs (211) elektrische Energie zu erzeugen; - eine elektrische Leistung des Brennstoffzellenstapels (102) von dem Massenstrom an Oxidationsmittel (212) abhängt; und - eine von dem Brennstoffzellensystem (100) bereitgestellte elektrische Leistung von der elektrischen Leistung des Brennstoffzellenstapels (102) und von einer Verbrauchs- oder Rekuperationsleistung des Oxidationsmittelförderers (205) abhängt.
Verfahren (500) zum Betrieb eines Oxidationsmittelförderers (205) eines Brennstoffzellensystems (100); wobei der Oxidationsmittelförderer (205) einen elektrischen Motor (310) zum Antrieb des Oxidationsmittelförderers (205) zur Förderung von Oxidationsmittel (212) umfasst; wobei das Verfahren (500) umfasst, - Ermitteln (501), in Abhängigkeit von einer Leistungsvorgabe für das Brennstoffzellensystem (100), eines Sollwerts (401) für einen Massenstrom an Oxidationsmittel (212), der durch den Oxidationsmittelförderer (205) zu bewirken ist; - Ermitteln (502), anhand eines Massenstromreglers (411) und auf Basis des Sollwertes (401) für den Massenstrom an Oxidationsmittel (212), eines Sollwerts (404) für einen Strom, insbesondere für einen drehmomentbildenden Strom, zum Betrieb des Motors (310); - Ermitteln (503) eines Grenzindikators (423), der angibt, ob eine Mindestdrehzahl (421) des Motors (310) erreicht oder unterschritten oder eine Maximaldrehzahl (421) des Motors (310) erreicht oder überschritten wird; und - Betreiben (504) des Motors (310) des Oxidationsmittelförderers (205) anhand eines Stromreglers (412), auf Basis des Sollwertes (404) für den Strom, insbesondere für den drehmomentbildenden Strom, und unter Berücksichtigung des Grenzindikators (423).