用于启动燃料电池系统的压缩机组件的方法与流程

本发明涉及一种用于启动燃料电池系统的压缩机组件的方法以及一种具有压缩机组件的燃料电池系统，该压缩机组件能够借助所述方法运行。

背景技术：

1、在由燃料电池系统提供电驱动所需的至少一部分电功率的车辆中，通常集成有用于压缩环境空气并且将环境空气供应给燃料电池系统的压缩机。已知大量不同的压缩机组件，所述压缩机组件单流地、双流地并且单级地或者多级地构造。在此，通常将热流体机械用作压缩机。例如，双级的压缩机组件包括第一压缩机，该第一压缩机具有电驱动器。连接在下游的第二压缩机能够经由涡轮机被驱动，该涡轮机布置在阴极路径和尤其是燃料电池系统的排气路径中。第一压缩机和第二压缩机以及驱动第二压缩机的涡轮机通常借助空气轴承被支承，所述空气轴承要求用于构造相应的空气层的最小转速。

2、由于燃料电池车辆的多种多样的运行条件，可能出现如下状况：在所述状况中，例如转子在涡轮机与第二压缩机之间卡住，例如由于由车辆的较长时间的静止状态引起的腐蚀或者由于在低的环境温度的情况下的结冰。然而，燃料电池系统的投入运行要求在考虑所有运行极限的情况下压缩机组件快速且可靠地启动，以便此外防止损伤或者过度磨损。

技术实现思路

1、本发明的任务在于，提出一种替代的用于运行压缩机组件的方法，借助该方法，在不同的运行条件下，能够实现压缩机组件的可靠且快速的启动并且此外能够实现对不同运行限制的适配。

2、该任务通过具有独立权利要求1的特征的方法解决。本发明的有利的实施方式和扩展方案能够从从属权利要求和以下描述中得出。

3、提出一种用于启动燃料电池系统的压缩机组件的方法，该压缩机组件具有能够电运行的至少一个第一压缩机和布置在下游的第二压缩机，所述第二压缩机经由转子与布置在燃料电池系统的阴极路径中的涡轮机耦合，所述方法包括下述步骤：启动至少一个第一压缩机并且将至少一个第一压缩机加速到第一转速，该第一转速相应于至少一个第一压缩机的至少一个空转转速，从第一转速梯度值和第二转速梯度值中选择第一转速梯度，其中，第一转速梯度值大于第二转速梯度值，将至少一个第一压缩机以第一转速梯度从第一转速加速到第二转速，在加速到第二转速期间，检查转子是否自由转动或者转子是否被卡阻，如果转子自由转动，则借助第二转速梯度将至少一个第一压缩机加速到最大启动转速，或者维持第二转速，重复地检查旋转，并且如果转子自由转动，则将至少一个第一压缩机加速到最大启动转速，其中，如果涡轮机的转子未被卡阻的概率更大，则从燃料电池系统的环境参数和运行参数中选择第一转速梯度值，并且其中，如果涡轮机的转子被卡阻的概率更大，则选择第二转速梯度值。

4、在此，压缩机组件是两级式组件，其中，第一级包括能够电运行的一个或者多个第一压缩机，第二级包括在下游跟随的第二压缩机。第二压缩机经由转子与涡轮机连接，尤其以燃料电池系统的排气加载该涡轮机。如果存在足够的排气流，则如果转子未被卡阻，涡轮机经由转子驱动压缩机。这可以涉及单流的和多流的第一和/或第二压缩机。

5、根据本发明的方法从启动至少一个第一压缩机开始，该第一压缩机例如从静止状态被加速到第一转速。如果压缩机组件的启动与压缩机组件在直接在先发生的关断之后的减速停止重合，则第一压缩机也可以从比从静止状态开始更高的转速加速到第一转速。至少一个第一压缩机的马达可以具有功率电子装置，该功率电子装置构造为用于，为了保护相应的部件，将至少一个第一压缩机的气体轴承或空气轴承尽可能快速地从机械摩擦范围经由提升转速带到纯空气动力运行中。至少一个第一压缩机的空转转速明显大于该提升转速，并且然后，至少一个第一压缩机的运行可以持久可靠地且安全地进行。

6、在至少一个第一压缩机投入运行时，燃料电池系统可能仍然处在被关断的状态中。由至少一个第一压缩机提供到阴极路径中的空气经由打开的阴极旁路路径进入到燃料电池系统的通到第二压缩机的涡轮机中的排气路径中。然而，出于所提到的原因，转子可能被卡阻。为了考虑这一点，选择第一转速梯度，其方式是，基于环境参数和运行参数来估计转子以一定的概率是固定的还是自由转动的。如果燃料电池系统或压缩机组件已执行热启动或者仅存在燃料电池系统的短的静止状态时间，则转子大概能够自由转动。在启停运行的情况下，也可能是相同情况。相反，如果执行冷启动，或者如果存在非常长的静止状态时间，由于所述静止状态时间，转子可能在其轴承处被腐蚀，则能够预期转子被卡阻。

7、如果假定转子未被卡阻，则第一压缩机可以以较大的加速度被加速到第二转速。然而，在转子大概固定不动的情况下，实现较低的加速度。因此，可以抵抗至少一个第一压缩机的可能的泵送，并且此外可以限制压缩机组件中的热梯度。

8、根据本发明，在加速到第二转速期间，检查转子是否转动。如果转子未被卡阻，则接下来可以将第一压缩机加速到其最大启动转速，使得实现涡轮机的和第二压缩机的最大加速。至少一个第一压缩机的加速可以以尽可能大的转速梯度执行。在此提到的最大启动转速可以相应于为至少一个第一压缩机预给定的最大允许的转速或者为启动规定的最大转速，该转速小于允许的最大转速。

9、由于至少一个第一压缩机的转速的提高和(如进一步在下文所述的那样)影响流动的其他元件的位态，施加足够高的扭矩用以从轴承的静摩擦中分离转子并且然后尽可能快速地加速转子。除了实现良好的动态之外，由此也尽可能迅速地超过转子的最小转速，这在部件保护方面为气体轴承带来显著优势，因为尽可能快速地超过提升转速。

10、如果在检查时确定转子被卡阻，则至少一个第一压缩机的转速被限制为第二转速，使得泵送被阻止。在转子被卡阻的情况下，涡轮机在阴极路径中产生附加的压力损失，使得在至少一个第一压缩机的下游的节流大于在正常运行情况下的节流并且至少一个第一压缩机的运行点可以更靠近泵特性曲线。在此期间，此外可以检查转子是否自由转动，尤其是在转子冻住的情况下可能是这种情况。保持在第二转速上，导致对燃料电池系统的运行限制、例如紧急运行。

11、如进一步在下文所述的那样，第一转速梯度值和第二转速梯度值不必然分别是常量，而是也能够与另外的参数有关。

12、在一种有利的实施方式中，该方法此外包括：在启动至少一个第一压缩机之前或者直接在启动至少一个第一压缩机之后，关闭涡轮机旁路。因此，实现转子的尽可能大的加速，因为整个空气质量流被引导通过涡轮机并且涡轮机的入口压力被增加。

13、在一种有利的实施方式中，该方法此外包括：在启动至少一个第一压缩机之前或者直接在启动至少一个第一压缩机之后，打开燃料电池旁路，其中，燃料电池旁路在燃料电池系统的阴极入口的前方将经压缩的进气导引到在涡轮机的上游的排气路径中。由此可以防止由穿流燃料电池堆导致的压力损失，并且最大可能的压力施加在涡轮机上。附加地，可以打开可能的、现有的节流阀，以便抵抗进一步的压力减小。

14、在主要的实施方式中，优选地，在燃料电池堆的阴极路径仍然通过截止设备关闭时，启动压缩机组件。在这种情况下，需要打开阴极旁路路径。

15、在一种有利的实施方式中，第二转速梯度值是可变的，并且在环境温度降低或者压缩机组件内的温度降低的情况下降低。由此限制通过由经压缩的空气加热阴极路径生成的温度梯度。

16、在一种有利的实施方式中，这样选择第二转速，使得在转子被卡阻的情况下阻止至少一个第一压缩机的泵送。因此，第二转速不应是过高的，以便如果在阴极路径中出现过度的压力损失则阻止泵送。然而，第二转速也不应是过低的，以便能够实现被卡阻的转子的松脱。所述检查的步骤不能在至少一个第一压缩机的转速过小的情况下进行，例如小于空转转速或者在空转转速周围，因为例如压力传感器安装在涡轮机的前方/后方或在第二压缩机的前方/后方并且需要对关于涡轮机的和/或关于第二压缩机的确定的压力水平或压力比例或压差进行分析处理，并且在此需要考虑压力传感器公差。

17、在一种有利的实施方式中，以多个转速级将至少一个第一压缩机加速到第二转速，所述多个转速级分别被保持预确定的时间区间，其中，在所述时间区间期间进行所述检查。通过暂时固定的运行点，尤其是对涡轮机和/或第二压缩机上的压力降的测量可以是更准确的。

18、在一种有利的实施方式中，该方法此外包括：如果转子已达到至少一个转子最小转速，则通过至少一个第一压缩机采用预给定的或者能够预给定的运行转速，或者如果转子被卡阻，则维持对燃料电池系统的运行限制并且在限制为受限的最大转速的情况下采用预给定的或者能够预给定的运行转速。受限的最大转速小于最大启动转速，并且在继续进行的运行中，只要转子被卡阻，也形成上极限。因此，可以结束压缩机组件的启动，并且可以发起燃料电池系统的正常运行或者受限的运行。在此，转子最小转速尤其考虑用于涡轮机的或转子的气体轴承的提升转速。如果发起燃料电池系统的和压缩机组件的受限的运行，则持续地继续重复检查的步骤，直到转子自由转动。

19、此外，本发明涉及一种燃料电池系统，该燃料电池系统具有燃料电池堆、压缩机组件和控制单元，该压缩机组件具有能够电运行的至少一个第一压缩机和布置在下游的第二压缩机，所述第二压缩机经由转子与布置在燃料电池系统的阴极路径中的涡轮机耦合，所述控制单元用于控制燃料电池系统，其中，该燃料电池系统构造为用于，借助控制单元实施用于启动压缩机组件的方法，所述方法包括下述步骤：启动至少一个第一压缩机并且将至少一个第一压缩机加速到第一转速，该第一转速相应于该至少一个第一压缩机的至少一个空转转速，从第一转速梯度值和第二转速梯度值中选择第一转速梯度，其中，第一转速梯度值大于第二转速梯度值，将至少一个第一压缩机以第一转速梯度从第一转速加速到第二转速，在加速到第二转速期间，检查转子是否自由转动或者转子是否被卡阻，如果转子自由转动，则借助第二转速梯度将至少一个第一压缩机加速到最大启动转速，或者维持第二转速，重复地检查旋转，并且如果转子自由转动，则将至少一个第一压缩机加速到最大启动转速，其中，如果涡轮机的转子未被卡阻的概率更大，则从燃料电池系统的环境参数和运行参数中选择第一转速梯度值，并且其中，如果涡轮机的转子被卡阻的概率更大，则选择第二转速梯度值。

20、在一种有利的实施方式中，燃料电池系统此外具有涡轮机旁路，其中，控制单元构造为用于，在启动至少一个第一压缩机之前或者直接在启动至少一个第一压缩机之后，关闭涡轮机旁路。

21、在一种有利的实施方式中，燃料电池系统此外具有燃料电池旁路，其中，控制单元构造为用于，在启动至少一个第一压缩机之前或者直接在启动至少一个第一压缩机之后，打开燃料电池旁路。

22、改进本发明的其他措施在下文中与对本发明的优选实施例的描述一起根据附图更详细地示出。