本發(fā)明涉及一種用于啟動燃料電池系統(tǒng)的壓縮機(jī)組件的方法以及一種具有壓縮機(jī)組件的燃料電池系統(tǒng)，該壓縮機(jī)組件能夠借助所述方法運(yùn)行。

背景技術(shù)：

1、在由燃料電池系統(tǒng)提供電驅(qū)動所需的至少一部分電功率的車輛中，通常集成有用于壓縮環(huán)境空氣并且將環(huán)境空氣供應(yīng)給燃料電池系統(tǒng)的壓縮機(jī)。已知大量不同的壓縮機(jī)組件，所述壓縮機(jī)組件單流地、雙流地并且單級地或者多級地構(gòu)造。在此，通常將熱流體機(jī)械用作壓縮機(jī)。例如，雙級的壓縮機(jī)組件包括第一壓縮機(jī)，該第一壓縮機(jī)具有電驅(qū)動器。連接在下游的第二壓縮機(jī)能夠經(jīng)由渦輪機(jī)被驅(qū)動，該渦輪機(jī)布置在陰極路徑和尤其是燃料電池系統(tǒng)的排氣路徑中。第一壓縮機(jī)和第二壓縮機(jī)以及驅(qū)動第二壓縮機(jī)的渦輪機(jī)通常借助空氣軸承被支承，所述空氣軸承要求用于構(gòu)造相應(yīng)的空氣層的最小轉(zhuǎn)速。

2、由于燃料電池車輛的多種多樣的運(yùn)行條件，可能出現(xiàn)如下狀況：在所述狀況中，例如轉(zhuǎn)子在渦輪機(jī)與第二壓縮機(jī)之間卡住，例如由于由車輛的較長時間的靜止?fàn)顟B(tài)引起的腐蝕或者由于在低的環(huán)境溫度的情況下的結(jié)冰。然而，燃料電池系統(tǒng)的投入運(yùn)行要求在考慮所有運(yùn)行極限的情況下壓縮機(jī)組件快速且可靠地啟動，以便此外防止損傷或者過度磨損。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的任務(wù)在于，提出一種替代的用于運(yùn)行壓縮機(jī)組件的方法，借助該方法，在不同的運(yùn)行條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)壓縮機(jī)組件的可靠且快速的啟動并且此外能夠?qū)崿F(xiàn)對不同運(yùn)行限制的適配。

2、該任務(wù)通過具有獨立權(quán)利要求1的特征的方法解決。本發(fā)明的有利的實施方式和擴(kuò)展方案能夠從從屬權(quán)利要求和以下描述中得出。

3、提出一種用于啟動燃料電池系統(tǒng)的壓縮機(jī)組件的方法，該壓縮機(jī)組件具有能夠電運(yùn)行的至少一個第一壓縮機(jī)和布置在下游的第二壓縮機(jī)，所述第二壓縮機(jī)經(jīng)由轉(zhuǎn)子與布置在燃料電池系統(tǒng)的陰極路徑中的渦輪機(jī)耦合，所述方法包括下述步驟：啟動至少一個第一壓縮機(jī)并且將至少一個第一壓縮機(jī)加速到第一轉(zhuǎn)速，該第一轉(zhuǎn)速相應(yīng)于至少一個第一壓縮機(jī)的至少一個空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，從第一轉(zhuǎn)速梯度值和第二轉(zhuǎn)速梯度值中選擇第一轉(zhuǎn)速梯度，其中，第一轉(zhuǎn)速梯度值大于第二轉(zhuǎn)速梯度值，將至少一個第一壓縮機(jī)以第一轉(zhuǎn)速梯度從第一轉(zhuǎn)速加速到第二轉(zhuǎn)速，在加速到第二轉(zhuǎn)速期間，檢查轉(zhuǎn)子是否自由轉(zhuǎn)動或者轉(zhuǎn)子是否被卡阻，如果轉(zhuǎn)子自由轉(zhuǎn)動，則借助第二轉(zhuǎn)速梯度將至少一個第一壓縮機(jī)加速到最大啟動轉(zhuǎn)速，或者維持第二轉(zhuǎn)速，重復(fù)地檢查旋轉(zhuǎn)，并且如果轉(zhuǎn)子自由轉(zhuǎn)動，則將至少一個第一壓縮機(jī)加速到最大啟動轉(zhuǎn)速，其中，如果渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子未被卡阻的概率更大，則從燃料電池系統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)中選擇第一轉(zhuǎn)速梯度值，并且其中，如果渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子被卡阻的概率更大，則選擇第二轉(zhuǎn)速梯度值。

4、在此，壓縮機(jī)組件是兩級式組件，其中，第一級包括能夠電運(yùn)行的一個或者多個第一壓縮機(jī)，第二級包括在下游跟隨的第二壓縮機(jī)。第二壓縮機(jī)經(jīng)由轉(zhuǎn)子與渦輪機(jī)連接，尤其以燃料電池系統(tǒng)的排氣加載該渦輪機(jī)。如果存在足夠的排氣流，則如果轉(zhuǎn)子未被卡阻，渦輪機(jī)經(jīng)由轉(zhuǎn)子驅(qū)動壓縮機(jī)。這可以涉及單流的和多流的第一和/或第二壓縮機(jī)。

5、根據(jù)本發(fā)明的方法從啟動至少一個第一壓縮機(jī)開始，該第一壓縮機(jī)例如從靜止?fàn)顟B(tài)被加速到第一轉(zhuǎn)速。如果壓縮機(jī)組件的啟動與壓縮機(jī)組件在直接在先發(fā)生的關(guān)斷之后的減速停止重合，則第一壓縮機(jī)也可以從比從靜止?fàn)顟B(tài)開始更高的轉(zhuǎn)速加速到第一轉(zhuǎn)速。至少一個第一壓縮機(jī)的馬達(dá)可以具有功率電子裝置，該功率電子裝置構(gòu)造為用于，為了保護(hù)相應(yīng)的部件，將至少一個第一壓縮機(jī)的氣體軸承或空氣軸承盡可能快速地從機(jī)械摩擦范圍經(jīng)由提升轉(zhuǎn)速帶到純空氣動力運(yùn)行中。至少一個第一壓縮機(jī)的空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速明顯大于該提升轉(zhuǎn)速，并且然后，至少一個第一壓縮機(jī)的運(yùn)行可以持久可靠地且安全地進(jìn)行。

6、在至少一個第一壓縮機(jī)投入運(yùn)行時，燃料電池系統(tǒng)可能仍然處在被關(guān)斷的狀態(tài)中。由至少一個第一壓縮機(jī)提供到陰極路徑中的空氣經(jīng)由打開的陰極旁路路徑進(jìn)入到燃料電池系統(tǒng)的通到第二壓縮機(jī)的渦輪機(jī)中的排氣路徑中。然而，出于所提到的原因，轉(zhuǎn)子可能被卡阻。為了考慮這一點，選擇第一轉(zhuǎn)速梯度，其方式是，基于環(huán)境參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)來估計轉(zhuǎn)子以一定的概率是固定的還是自由轉(zhuǎn)動的。如果燃料電池系統(tǒng)或壓縮機(jī)組件已執(zhí)行熱啟動或者僅存在燃料電池系統(tǒng)的短的靜止?fàn)顟B(tài)時間，則轉(zhuǎn)子大概能夠自由轉(zhuǎn)動。在啟停運(yùn)行的情況下，也可能是相同情況。相反，如果執(zhí)行冷啟動，或者如果存在非常長的靜止?fàn)顟B(tài)時間，由于所述靜止?fàn)顟B(tài)時間，轉(zhuǎn)子可能在其軸承處被腐蝕，則能夠預(yù)期轉(zhuǎn)子被卡阻。

7、如果假定轉(zhuǎn)子未被卡阻，則第一壓縮機(jī)可以以較大的加速度被加速到第二轉(zhuǎn)速。然而，在轉(zhuǎn)子大概固定不動的情況下，實現(xiàn)較低的加速度。因此，可以抵抗至少一個第一壓縮機(jī)的可能的泵送，并且此外可以限制壓縮機(jī)組件中的熱梯度。

8、根據(jù)本發(fā)明，在加速到第二轉(zhuǎn)速期間，檢查轉(zhuǎn)子是否轉(zhuǎn)動。如果轉(zhuǎn)子未被卡阻，則接下來可以將第一壓縮機(jī)加速到其最大啟動轉(zhuǎn)速，使得實現(xiàn)渦輪機(jī)的和第二壓縮機(jī)的最大加速。至少一個第一壓縮機(jī)的加速可以以盡可能大的轉(zhuǎn)速梯度執(zhí)行。在此提到的最大啟動轉(zhuǎn)速可以相應(yīng)于為至少一個第一壓縮機(jī)預(yù)給定的最大允許的轉(zhuǎn)速或者為啟動規(guī)定的最大轉(zhuǎn)速，該轉(zhuǎn)速小于允許的最大轉(zhuǎn)速。

9、由于至少一個第一壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速的提高和(如進(jìn)一步在下文所述的那樣)影響流動的其他元件的位態(tài)，施加足夠高的扭矩用以從軸承的靜摩擦中分離轉(zhuǎn)子并且然后盡可能快速地加速轉(zhuǎn)子。除了實現(xiàn)良好的動態(tài)之外，由此也盡可能迅速地超過轉(zhuǎn)子的最小轉(zhuǎn)速，這在部件保護(hù)方面為氣體軸承帶來顯著優(yōu)勢，因為盡可能快速地超過提升轉(zhuǎn)速。

10、如果在檢查時確定轉(zhuǎn)子被卡阻，則至少一個第一壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速被限制為第二轉(zhuǎn)速，使得泵送被阻止。在轉(zhuǎn)子被卡阻的情況下，渦輪機(jī)在陰極路徑中產(chǎn)生附加的壓力損失，使得在至少一個第一壓縮機(jī)的下游的節(jié)流大于在正常運(yùn)行情況下的節(jié)流并且至少一個第一壓縮機(jī)的運(yùn)行點可以更靠近泵特性曲線。在此期間，此外可以檢查轉(zhuǎn)子是否自由轉(zhuǎn)動，尤其是在轉(zhuǎn)子凍住的情況下可能是這種情況。保持在第二轉(zhuǎn)速上，導(dǎo)致對燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)行限制、例如緊急運(yùn)行。

11、如進(jìn)一步在下文所述的那樣，第一轉(zhuǎn)速梯度值和第二轉(zhuǎn)速梯度值不必然分別是常量，而是也能夠與另外的參數(shù)有關(guān)。

12、在一種有利的實施方式中，該方法此外包括：在啟動至少一個第一壓縮機(jī)之前或者直接在啟動至少一個第一壓縮機(jī)之后，關(guān)閉渦輪機(jī)旁路。因此，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的盡可能大的加速，因為整個空氣質(zhì)量流被引導(dǎo)通過渦輪機(jī)并且渦輪機(jī)的入口壓力被增加。

13、在一種有利的實施方式中，該方法此外包括：在啟動至少一個第一壓縮機(jī)之前或者直接在啟動至少一個第一壓縮機(jī)之后，打開燃料電池旁路，其中，燃料電池旁路在燃料電池系統(tǒng)的陰極入口的前方將經(jīng)壓縮的進(jìn)氣導(dǎo)引到在渦輪機(jī)的上游的排氣路徑中。由此可以防止由穿流燃料電池堆導(dǎo)致的壓力損失，并且最大可能的壓力施加在渦輪機(jī)上。附加地，可以打開可能的、現(xiàn)有的節(jié)流閥，以便抵抗進(jìn)一步的壓力減小。

14、在主要的實施方式中，優(yōu)選地，在燃料電池堆的陰極路徑仍然通過截止設(shè)備關(guān)閉時，啟動壓縮機(jī)組件。在這種情況下，需要打開陰極旁路路徑。

15、在一種有利的實施方式中，第二轉(zhuǎn)速梯度值是可變的，并且在環(huán)境溫度降低或者壓縮機(jī)組件內(nèi)的溫度降低的情況下降低。由此限制通過由經(jīng)壓縮的空氣加熱陰極路徑生成的溫度梯度。

16、在一種有利的實施方式中，這樣選擇第二轉(zhuǎn)速，使得在轉(zhuǎn)子被卡阻的情況下阻止至少一個第一壓縮機(jī)的泵送。因此，第二轉(zhuǎn)速不應(yīng)是過高的，以便如果在陰極路徑中出現(xiàn)過度的壓力損失則阻止泵送。然而，第二轉(zhuǎn)速也不應(yīng)是過低的，以便能夠?qū)崿F(xiàn)被卡阻的轉(zhuǎn)子的松脫。所述檢查的步驟不能在至少一個第一壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速過小的情況下進(jìn)行，例如小于空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速或者在空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速周圍，因為例如壓力傳感器安裝在渦輪機(jī)的前方/后方或在第二壓縮機(jī)的前方/后方并且需要對關(guān)于渦輪機(jī)的和/或關(guān)于第二壓縮機(jī)的確定的壓力水平或壓力比例或壓差進(jìn)行分析處理，并且在此需要考慮壓力傳感器公差。

17、在一種有利的實施方式中，以多個轉(zhuǎn)速級將至少一個第一壓縮機(jī)加速到第二轉(zhuǎn)速，所述多個轉(zhuǎn)速級分別被保持預(yù)確定的時間區(qū)間，其中，在所述時間區(qū)間期間進(jìn)行所述檢查。通過暫時固定的運(yùn)行點，尤其是對渦輪機(jī)和/或第二壓縮機(jī)上的壓力降的測量可以是更準(zhǔn)確的。

18、在一種有利的實施方式中，該方法此外包括：如果轉(zhuǎn)子已達(dá)到至少一個轉(zhuǎn)子最小轉(zhuǎn)速，則通過至少一個第一壓縮機(jī)采用預(yù)給定的或者能夠預(yù)給定的運(yùn)行轉(zhuǎn)速，或者如果轉(zhuǎn)子被卡阻，則維持對燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)行限制并且在限制為受限的最大轉(zhuǎn)速的情況下采用預(yù)給定的或者能夠預(yù)給定的運(yùn)行轉(zhuǎn)速。受限的最大轉(zhuǎn)速小于最大啟動轉(zhuǎn)速，并且在繼續(xù)進(jìn)行的運(yùn)行中，只要轉(zhuǎn)子被卡阻，也形成上極限。因此，可以結(jié)束壓縮機(jī)組件的啟動，并且可以發(fā)起燃料電池系統(tǒng)的正常運(yùn)行或者受限的運(yùn)行。在此，轉(zhuǎn)子最小轉(zhuǎn)速尤其考慮用于渦輪機(jī)的或轉(zhuǎn)子的氣體軸承的提升轉(zhuǎn)速。如果發(fā)起燃料電池系統(tǒng)的和壓縮機(jī)組件的受限的運(yùn)行，則持續(xù)地繼續(xù)重復(fù)檢查的步驟，直到轉(zhuǎn)子自由轉(zhuǎn)動。

19、此外，本發(fā)明涉及一種燃料電池系統(tǒng)，該燃料電池系統(tǒng)具有燃料電池堆、壓縮機(jī)組件和控制單元，該壓縮機(jī)組件具有能夠電運(yùn)行的至少一個第一壓縮機(jī)和布置在下游的第二壓縮機(jī)，所述第二壓縮機(jī)經(jīng)由轉(zhuǎn)子與布置在燃料電池系統(tǒng)的陰極路徑中的渦輪機(jī)耦合，所述控制單元用于控制燃料電池系統(tǒng)，其中，該燃料電池系統(tǒng)構(gòu)造為用于，借助控制單元實施用于啟動壓縮機(jī)組件的方法，所述方法包括下述步驟：啟動至少一個第一壓縮機(jī)并且將至少一個第一壓縮機(jī)加速到第一轉(zhuǎn)速，該第一轉(zhuǎn)速相應(yīng)于該至少一個第一壓縮機(jī)的至少一個空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，從第一轉(zhuǎn)速梯度值和第二轉(zhuǎn)速梯度值中選擇第一轉(zhuǎn)速梯度，其中，第一轉(zhuǎn)速梯度值大于第二轉(zhuǎn)速梯度值，將至少一個第一壓縮機(jī)以第一轉(zhuǎn)速梯度從第一轉(zhuǎn)速加速到第二轉(zhuǎn)速，在加速到第二轉(zhuǎn)速期間，檢查轉(zhuǎn)子是否自由轉(zhuǎn)動或者轉(zhuǎn)子是否被卡阻，如果轉(zhuǎn)子自由轉(zhuǎn)動，則借助第二轉(zhuǎn)速梯度將至少一個第一壓縮機(jī)加速到最大啟動轉(zhuǎn)速，或者維持第二轉(zhuǎn)速，重復(fù)地檢查旋轉(zhuǎn)，并且如果轉(zhuǎn)子自由轉(zhuǎn)動，則將至少一個第一壓縮機(jī)加速到最大啟動轉(zhuǎn)速，其中，如果渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子未被卡阻的概率更大，則從燃料電池系統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)中選擇第一轉(zhuǎn)速梯度值，并且其中，如果渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)子被卡阻的概率更大，則選擇第二轉(zhuǎn)速梯度值。

20、在一種有利的實施方式中，燃料電池系統(tǒng)此外具有渦輪機(jī)旁路，其中，控制單元構(gòu)造為用于，在啟動至少一個第一壓縮機(jī)之前或者直接在啟動至少一個第一壓縮機(jī)之后，關(guān)閉渦輪機(jī)旁路。

21、在一種有利的實施方式中，燃料電池系統(tǒng)此外具有燃料電池旁路，其中，控制單元構(gòu)造為用于，在啟動至少一個第一壓縮機(jī)之前或者直接在啟動至少一個第一壓縮機(jī)之后，打開燃料電池旁路。

22、改進(jìn)本發(fā)明的其他措施在下文中與對本發(fā)明的優(yōu)選實施例的描述一起根據(jù)附圖更詳細(xì)地示出。