阅读说明：本技术 通过确定受控参量的实际值来控制燃料电池反应物的调控单元的受控参量 (Controlling a controlled variable of a control unit of a fuel cell reactant by determining an actual value of the controlled variable ) 是由 J·坎萨尔 S·亚库贝克 C·库格勒 于 2018-11-30 设计创作，主要内容包括：为了确定燃料电池反应物的受控参量的至少一个实际值,以用于以尽可能小的测量误差进行控制,规定：利用调控单元(3)的模型<Image he="74" wi="145" file="DDA0002522118230000011.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>来计算受控参量模型值<Image he="76" wi="222" file="DDA0002522118230000012.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>利用用于测量传感器(Sn)的传感器模型<Image he="79" wi="143" file="DDA0002522118230000013.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>来计算受控参量实际值的模型值<Image he="77" wi="262" file="DDA0002522118230000014.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>由利用测量传感器(Sn)测量出的受控参量实际值(RGnist)和受控参量实际值的利用传感器模型<Image he="77" wi="153" file="DDA0002522118230000015.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>计算出的模型值<Image he="77" wi="240" file="DDA0002522118230000016.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>来计算用于受控参量(RGn)的校正值(RGcorr),并且作为所述校正值(RGcorr)与利用调控单元(3)的模型<Image he="76" wi="153" file="DDA0002522118230000017.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>计算出的受控参量模型值<Image he="75" wi="208" file="DDA0002522118230000018.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>的总和来计算所述至少一个受控参量的实际值<Image he="77" wi="262" file="DDA0002522118230000019.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>其中,所述受控参量的实际值<Image he="77" wi="236" file="DDA00025221182300000110.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>也在传感器模型<Image he="77" wi="146" file="DDA00025221182300000111.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>中用于计算受控参量实际值的模型值<Image he="77" wi="259" file="DDA00025221182300000112.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>(In order to determine at least one actual value of a controlled variable of a fuel cell reactant for controlling with as little measurement error as possible, provision is made for: model using regulatory unit (3) To calculate the controlled parameter model value Using a sensor model for measuring the sensor (Sn) To calculate a model value of an actual value of the controlled parameter Sensor model of the actual value (RGnist) of the controlled variable measured by the measuring sensor (Sn) and the actual value of the controlled variable Calculated model value To calculate a correction value (RGcorr) for the controlled variable (RGn) and to use the correction value (RGcorr) as a model for the control unit (3) Calculated controlled parameter model value To calculate the actual value of said at least one controlled quantity Wherein the actual value of the controlled quantity Also in the sensor model Model value for calculating actual value of controlled parameter)

通过确定受控参量的实际值来控制燃料电池反应物的调控单 元的受控参量

技术领域

本发明的技术方案涉及一种用于确定用于燃料电池反应物的调控单元的至少一个受控参量的实际值的方法，其中，利用测量传感器测量受控参量实际值的测量值；以及一种在用于反应物的调控单元中用于控制燃料电池反应物的受控参量的系统，其中，设有测量传感器，以便测量受控参量实际值的测量值，以及设有控制单元，在所述控制单元中实现有控制器，所述控制器对在受控参量理论值与受控参量实际值之间的偏差进行补偿；以及一种燃料电池反应物的调控单元的受控参量的相应的控制。

背景技术

为了按照规定且高效地运行燃料电池，对所输送的气体(反应物)进行调控、特别是在温度、湿度、压力和质量流量方面的调控起决定性的作用。对反应物的错误的调控可能导致功率损失，或者在最坏的情况下导致燃料电池或燃料电池堆的损坏和破坏。特别是，所输送的反应物(例如氧气、也以所输送的空气的形式)的相对湿度在此在许多燃料电池类型中、例如在质子交换膜燃料电池(PEMFC)中是重要的参量，必须对所述参量进行精确地控制。

因此，为了能够完全充分利用燃料电池的可能性，需要对反应物的调控装置进行精确地控制。这特别是在燃料电池的瞬态和高动态的运行中与高的耗费相关。在此，(高)动态或瞬态的运行特别是理解为燃料电池的输出参量(电压、电流)的快速改变。这特别是在如下试验台上开发燃料电池时存在问题，在所述试验台上通常希望使燃料电池经受动态的试验运行(按照燃料电池的输出量的改变率、亦或负载的改变率的意义)，以便检查或改善燃料电池的特性。但是，即使在燃料电池(例如在机动车中)的实际运行中，对反应物的调控必须能实现燃料电池的瞬态且高动态地运行。特别是将如此快速的改变理解为动态的，即，动态的系统不是达到稳态的状态，而是在各改变之间的瞬态特性被反映。

为了对反应物的调控进行精确地控制，需要在测量技术上检测经控制的参量的实际参量并将其提供给控制装置。因此，测量基础设施(测量传感器、测量值处理装置、测量值分析装置等)也必须能够检测在瞬态的、高动态的运行中的实际参量，在所述瞬态的、高动态的运行中，测量参量可以在时间上非常迅速并且也非常强烈地改变。据此，对测量基础设施的要求同样高。这还由于用于检测测量值的测量传感器经常本身受到正在改变的物理条件(例如温度、压力、质量流、湿度)的影响而变得困难。因此，仅能受限地或者非常耗费地校准所述测量传感器。此外，在测量值检测中还出现无法避免的死区时间，亦即、测量值不是立即可用的，而是在一定的时间之后才可用。所有这些导致所获得的测量结果失真，因此所获得的测量结果、特别是在瞬态的、高动态的运行中的测量结果没有以足够的精度相应于实际出现的物理测量参量。这降低对燃料电池反应物进行调控的可控制性。在此确定了，特别是对相对湿度的测量涉及该问题。对实际参量的非精确地测量也可能特别是在燃料电池的瞬态的、高动态的运行中导致功率损失或者导致燃料电池的损坏或甚至破坏。

发明内容

因此，本发明的目的是给出一种方法和一种设备，以便以尽可能小的测量误差确定燃料电池反应物的受控参量的至少一个实际值，以便能够在控制受控参量时使用所述实际值。

所述目的通过如下方式实现，即，利用调控单元的模型来计算受控参量模型值，利用用于测量传感器的传感器模型来计算受控参量实际值的模型值，由利用测量传感器测量出的受控参量实际值和受控参量实际值的利用传感器模型计算出的模型值来计算受控参量的校正值，并且将所述至少一个受控参量的实际值计算为所述校正值与利用调控单元的模型计算出的受控参量模型值的总和，其中，所述受控参量的实际值也在传感器模型中用于计算受控参量实际值的模型值。

通过这种方式，能够在确定受控参量实际值时反映测量传感器与环境条件、例如压力、湿度、质量流、温度和因此还有在瞬态特性中的传感器误差的相关性。由此能够校正传感器误差并且提高用于控制的实际值的质量。最大的优点在于，估算实际的测量参量实际值并且因此能够校正稳态的和动态的传感器误差。这特别是在动态的运行中(调控单元(包括测量传感器)不在稳态的状态中)是有利的，因为直到目前是不可能的。在稳态的情况下，传感器误差的校正减少到零点调整和校准。

于是，这样确定的经建模的受控参量实际值能够在燃料电池反应物的调控单元中在受控参量的控制中使用。

附图说明

下面参考图1至3更详细地阐述本发明，各图示例性地、示意性地且非限制性地示出本发明的有利的实施方案。图中：

图1示出用于燃料电池反应物的调控单元，

图2示出对反应物的受控参量的控制，并且

图3示出确定反应物的受控参量的经建模的实际值以用于控制所述受控参量。

具体实施方式

下面参照图1以用于质子交换膜燃料电池(PEMFC)2的试验台1为例，不限制一般性地阐述本发明。当然，燃料电池2也可以用作在机器或设备中的供电装置或者也可以是其它类型。于是，对此的调控和控制在所述机器或设备中实现。因此，当在下面提及燃料电池2的运行时，对此总是理解为燃料电池2在试验台1上的运行和燃料电池2在机器或设备中的实际运行。在试验台1上通常也仅设置一个燃料电池堆，这按照本发明的意义同样理解为燃料电池2。

在按照图1的示例中，PEMFC燃料电池2设置在试验台1上并且在试验台1上运行。众所周知，燃料电池2包括一个阴极C和一个阳极A，将第一反应气体、例如氧气(也以空气的形式)作为第一反应物输送给所述阴极，将第二反应气体、例如氢气H₂作为第二反应物输送给所述阳极。所述两种反应气体在燃料电池2的内部被聚合物膜彼此分隔开。在阴极C与阳极A之间可以量取电压U。燃料电池2的这种基本结构和功能是充分已知的，因此在这里无须对其进行详细探讨。

在调控单元3中调控至少一种反应物、通常是携氧反应物、特别是空气。在所述调控单元3中设定若干个(n≥1)用于调控的受控参量RGn(例如经调控的反应气体的压力p、相对湿度温度T和质量流量)——在图1中，这四个示例性的受控参量RGn在阴极C的输入端上示出。当然，也可以以相同的方式调控在阳极侧上的反应物。“调控”在此意味着，将所述至少一个受控参量RGn的值控制到预定的受控参量理论值RGnsoll，其方式为：控制器R在控制的每个时间步骤中针对至少一个执行器An对于要利用该执行器控制的受控参量RGn计算在执行器An上设定的操纵参量SGn。

因此，为了控制受控参量RGn，在调控单元3中设有相应的执行器An。例如，作为执行器An设有用于润湿反应物的加湿装置4以调整反应物的相对湿度用于对反应物进行调温的调温装置5以调整反应物的温度T、用于控制反应物的质量流量的质量流量控制装置6以及用于控制反应物的压力p的压力控制装置7。

当然，也设有用于所述至少一种反应物的源8，所述源与调控单元3相连接或者同样设置在调控单元3中。所述源8例如是具有压缩的、干燥的反应物(例如空气)的蓄压器。备选地，在使用空气作为气体源8的情况下也可以对环境空气进行处理、例如过滤、压缩、干燥等。

所述调温装置5例如是电加热和冷却装置或热交换器。作为调温装置5也可以使用如在AT 516 385 A1中所描述的装置。

在该实施例中，所述加湿装置4包括水蒸汽发生器9、用于水蒸汽的质量流量控制器10和混合室11。作为用于水蒸汽的质量流量控制器10以及还有作为用于反应物的质量流量控制装置6，可以使用传统的、合适的、市售的、可控制的质量流量控制器。在混合室11中，所述水蒸汽与来自源8的气体混合成用于燃料电池2的经调控的反应物。

当然也可以设想加湿装置4的其它实施方案。例如，可以将水输送(例如喷射)给源8中的气体。

在该示例中，作为压力控制装置7使用在排气侧、亦即在燃料电池2后面的背压阀，所述背压阀通过可控制的开口横截面来调整反应物的压力p。所述背压阀7设置在燃料电池2下游的气体调控单元3中。这能实现对在燃料电池2上游的压力进行控制，因此，所述压力控制装置保持不受在气体调控单元3的其它组件中的可能的压力损失的影响。

在混合腔11之后，反应物位于反应物管路12中，所述反应物管路与燃料电池2、更确切地说与燃料电池2的阴极C或阳极A相连接，因此所述反应物具有所期望的受控参量RGn、例如确定的温度T、确定的相对湿度确定的压力p和/或确定的质量流量

然而，调控单元3的借助于图1描述的这种结构仅是示例性的，并且当然可能且可设想的是调控单元3的其它结构以及还有执行器An(在这里加湿装置4、质量流控制装置6、调温装置5和压力控制装置7)的其它具体的实施方式。特别是，也可以在调控单元3中控制反应物的更少或更多或其它的受控参量RGn，由此也可以设有更少或更多或其它的执行器An。

为了能够控制所述至少一个受控参量RGn，如在图1中示出的那样，所属的执行器An、例如加湿装置4、质量流控制装置6、调温装置5和压力控制装置7能通过相应的操纵参量SGn来控制。在此，所述操纵参量SGn由控制单元15计算，在所述控制单元中实现有控制器R，从而使受控参量实际值RGnist遵循预定的理论值RGnsoll。在图1中所示的实施例中，通过用于水蒸汽的质量流量控制器10利用操纵参量u_S来控制加湿装置4、利用操纵参量u_G来控制质量流量控制装置6、利用操纵参量来控制调温装置5以及利用操纵参量u_N来控制压力控制装置7。操纵参量SGn用于操控相应的执行器An并且对执行器An进行设定，以便引起受控参量RGn的期望的改变。

为了控制所述受控参量RGn，也需要受控参量实际值RGnist，以便通过控制器R来补偿在受控参量实际值RGnist与受控参量理论值RGnsoll之间的偏差。如在图2中所示的那样，例如将在受控参量理论值RGnsoll与受控参量实际值RGnist之间的差输送给控制器R，该控制器由此按照所实现的控制律来计算操纵参量SGn，该操纵参量利用所属的执行器An设定在调控单元3中。在此，利用测量传感器Sn来测量所述受控参量实际值RGnist，所述测量传感器当然设置在调控单元3的适合的位置上、例如在反应气体管路12中。在此，所述测量传感器Sn不是必须直接测量受控参量RGn，而是也可以测量代表受控参量RGn的测量值。该测量常常遭受开头所述的限制。因此，为了改善测量受控参量实际值RGnist的质量，按照本发明不是直接使用利用测量传感器Sn检测到的测量值以用于控制，而是使用经校正的测量值，如下面参考图3所阐述的那样。

从调控单元3的合适的模型(向所述模型输送操纵参量SGn)，响应于所述操纵参量SGn计算新的受控参量在此，如果在调控单元3中包含其它执行器An并且所述模型需要所述执行器，则也还可以给模型输送调控单元3的其它操纵参量。同样地，也可以给模型输送调控单元3的所需的测量值m。合适的传感器模型从受控参量RGn中计算用于受控参量RGn的测量值的模型值为此，在需要的情况下也可以给传感器模型提供调控单元3的状态参量x，所述状态参量同样可以在模型中计算。将利用测量传感器Sn检测出的受控参量实际值RGnist和利用传感器模型计算出的模型值输送给校正单元Ω，在该校正单元中计算受控参量RG的校正值RGcorr。将符号正确的校正值RGcorr和在调控单元3的模型中计算出的受控参量的总和用作经建模的用于控制的受控参量实际值将经建模的受控参量实际值也输送给传感器模型以便由此计算受控参量RGn的模型值

调控单元3的模型传感器模型和校正单元Ω例如可以作为在控制单元15中的合适的软件实现，但是当然也可以分别单独地或共同地作为合适的硬件和/或软件实现。

检测用于控制的受控参量实际值RGnist的这种方式特别是适合于经调控的反应物的相对湿度但也可以用于其它的受控参量RGn、例如压力p、温度T或质量流量

根据图1的调控单元3例如可以通过下面描述的数学物理模型来建模，其中当然也可以使用其它模型、也可以使用经训练的模型。

用于调控单元3的示例性模型如下给出：

从在混合室11中的质量平衡中得出

其中包含气体的质量m_G、到混合室11中的气体的质量流量从混合室11中出来的气体的质量流量到混合室11中的水蒸汽的质量流量以及从混合室11中出来的水蒸汽的质量流量从混合室11中出来的气体和水蒸气的质量流量通过给出，其中包含在调控单元3中的总质量m和气体的质量m_G和水蒸气的质量m_S以及反应物的质量流量在此，当然必须适用m＝m_G+m_S。

从调控单元3的能量平衡得出

在此，U表示内能，并且h表示气体的比焓(在此以及在下文中通过下标G标出)、水蒸气的比焓(在此以及在下文中通过下标S标出)和在混合室11之后的反应物的比焓(在此以及在下文中无下标)，并且u_i表示气体和水蒸气的比内能。众所周知，气体的比焓h是在压力恒定的情况下的比热容c_p与气体的温度T的乘积。在水蒸汽的情况下，还添加潜热r₀。气体的内能u_i是在体积恒定的情况下的比热容c_v与气体的温度T的乘积。在水蒸汽的情况下，还添加潜热r₀。如果将所有情况置入到能量平衡中并且考虑质量平衡，则得到描述调控单元3的温度动态的以下系统方程。

从对于理想气体的热力学状态方程中进一步得出

pV＝(m_GR_G+m_SR_S)T

其中包含在燃料电池2的输入端上的压力p和温度T。R以已知的方式表示气体的气体常数(下标G)、水蒸汽的气体常数(下标S)或反应物的气体常数(无下标)。在此优选地，体积V不仅表示混合室11的体积，而且表示在调控单元3中的管道的体积。反应物的压力p和质量流量也受背压阀7的显著影响，这可以如下建模。

其中，A表示背压阀7的开口横截面以及p₀表示环境压力。

相对湿度通过如下建模，即，

其中，p_W(T)表示饱和分压，所述饱和分压例如通过给出。参数p_m、C₁、C₂例如可以由Plant R.S.et al.的“大气对流的参数化(Parameterization ofAtmospheric Convection)”(第一卷，帝国大学出版社，2015年)得到。

附加地，还可以根据操纵参量u_S、u_G和u_N以具有时间常数τ₁,τ₂,τ₃,τ₄,的1阶延迟元件的形式对执行器An的动力学进行建模：

其中，T_G,0和A₀是预定的偏移参量。

从上述系统方程看出，存在如下形式的非线性多参量系统(MIMO，多输入多输出multiple input multiple output)

RG＝h(x)

其中包含从上述建模中得到的系统函数f(x)、g(x)、h(x)、如下的状态向量x、具有操纵参量SGn的操纵参量向量SG和具有受控参量RGn的受控参量向量RG：

为了更好地阐明，在图1中示出这些参量在调控单元3中分别出现在哪里。

校正单元Ω从利用测量传感器Sn测量出的受控参量实际值RGnist与用于受控参量RGn的测量值的利用传感器模型计算出的模型值之间的偏差来计算校正值RGcorr。在最简单的情况下，可以简单地使用所述两个值的差作为校正值RGcorr。但也可以在校正单元Ω中实现控制器、例如PI控制器，所述控制器控制(即向零控制)所述差。然而，也可以在校正单元Ω中应用更复杂的(例如基于模型的)控制方法。

简单的动态传感器模型例如是已知的、简单的1阶延迟元件(PT1元件)，所述延迟元件在反应物的受控参量RGn、例如湿度改变的情况下例如考虑传感器惯性(从测量传感器Sn的数据已知或通过利用测量传感器Sn的测量已知)。此外，还可以考虑在传感器模型中(例如与系统压力p)的耦合。这又不仅可以通过动态模型实现、或者在简单的实施方案中作为静态校正因数或者以综合特性曲线的形式实现。

通过利用动态传感器模型对测量传感器Sn的建模，可以反映测量传感器Sn与环境条件、例如压力、湿度、质量流量、温度的相关性，并且因此也反映在瞬态特性中的传感器误差。对此能够有利的是，在传感器模型中考虑调控单元3的状态参量x。通过校正单元Ω来校正所述传感器误差。因此，特别是也不需要针对所有的环境条件对在调控单元3中的测量传感器Sn进行校准，因为所述传感器误差在计算出的用于控制受控参量RGn的受控参量实际值中被补偿。

此外，可以对动态的传感器模型进行明确的、时间相关的建模。因此，可以一同考虑传感器特性(例如动力学特性)关于时间的变化、即例如老化的影响。