本发明涉及用于燃料电池系统的压缩机系统，该压缩机系统优选用于车辆并因此可称为车辆燃料电池系统。压缩机系统包括至少一个压缩机级，用于抽吸、压缩空气质量流，并将经压缩的空气质量流作为反应用料排出。压缩机系统还包括压缩机控制部，该压缩机控制部被设立成操控压缩机级。此外，压缩机控制部被设立成与燃料电池控制部传导信号地连接，并从燃料电池控制部接收控制命令。
背景技术：
1、用于燃料电池系统的压缩机系统一般是众所周知的。这种压缩机系统用于向燃料电池系统的燃料电池的阴极侧输送含氧混合物。这种含氧混合物通常是以从环境中抽吸的加压空气的形式被输送。向燃料电池的阳极侧输送氢气。然后，在燃料电池中发生反应，这需要对反应条件和所输送的反应用料量进行监测和控制，以便受控地完成反应。尤其地，必须监测和控制所输送的氧气和所输送的氢气的物质量，以确保燃料电池高效且低磨损的运行。根据现有技术，通常利用燃料电池控制部来执行监测和控制任务。
2、在已知的系统中，为了进行监测和控制，在燃料电池系统的燃料电池控制部与压缩机设施之间进行通信。燃料电池控制部从燃料电池系统的传感器接收测量信号，这些测量信号说明了向燃料电池系统的燃料电池输送的氧气量、尤其是空气量。如果根据测量信号(即传感器测量值)确认了所输送的氧气量(尤其是空气量)对于在燃料电池中进行所期望的反应并不适合(例如过低)，则燃料电池控制部会向压缩机控制部发送控制命令，以便对压缩机功率进行适应性调整，例如通过提高压缩机级的电动马达的转速来进行适应性调整。这样就形成了调节回路，在该调节回路中确定了燃料电池控制部中的指导性参量，并且在该调节回路中借助于燃料电池控制部来获知指导性参量与通过传感器接收到的测量参量之间的调节差。然后，压缩机控制部根据该差来操控压缩机级，以使调节参量尽可能精确地与指导性参量相匹配，从而为燃料电池提供所期望的氧气量、尤其是空气量。
3、所描述的燃料电池系统通常能使燃料电池令人满意地运行，其中，此类系统需要燃料电池系统的各个部件的复杂的结构。尤其地，各个部件之间必须进行复杂的数据通信。一方面，这种复杂的结构、尤其是复杂的数据通信很容易受到干扰，这会损害燃料电池系统的连续运行，因此期望简化这种结构。另一方面，简化结构是有利的，以便进一步降低燃料电池系统的成本并使燃料电池系统能够进入大众市场。
技术实现思路
1、因此，本发明的任务在于解决现有技术中存在的问题。尤其地，本发明的任务在于降低燃料电池系统的结构复杂性。
2、因此，本发明提出了根据权利要求1的压缩机系统。
3、因此，本发明涉及用于燃料电池系统的压缩机系统。优选地，燃料电池系统是车辆燃料电池系统，该车辆燃料电池系统被设立成提供用于驱动车辆的电能。压缩机系统包括具有电动马达的至少一个压缩机级。因此，压缩机系统在此包括单个的压缩机级，但也包括由多个压缩机级级联所组成的设施。电动马达优选是同步马达。电动马达进一步优选是永磁同步马达。压缩机级被设立成利用马达抽吸空气质量流。压缩机级还被设立成：压缩所抽吸的空气质量流，并将经压缩的空气质量流作为反应用料排出。优选地，压缩机级用于向燃料电池或燃料电池堆(其也称为燃料电池堆叠并由多个燃料电池组成)排出反应用料。对空气质量流的抽吸、压缩和排出沿着压缩机系统的流体路径进行。
4、压缩机系统还包括控制部。优选地，控制部在此包括微处理器或计算机形式的至少一个控制逻辑以及由控制逻辑操控的功率电子器件。控制部被设立成确定向电动马达供应的电流。电流优选由控制部来测量。控制部还被设立成确定电动马达的转速或向电动马达供应的电流的频率。对转速或频率的确定也尤其是通过测量转速或电流的频率来实现。例如，对电流的频率的测量包括监测向电动马达供应的电流的变化过程。
5、控制部还被设立成：依赖于特定电流和特定转速或依赖于特定电流和特定频率来确定空气质量流的流体路径中的理论空气质量流量值。这种对理论空气质量流量值的确定尤其是通过下述方式来进行：利用将电流和转速或电流和频率考虑在内的算式来计算理论空气质量流量值。控制部还被设立成：依赖于理论空气质量流量值来操控压缩机级的马达。操控尤其包括调设或调节马达转速和/或马达扭矩。
6、本发明基于以下认识：为了操控马达通常利用流体路径中的传感器测量到的用于操控压缩机级的空气质量流量值也可以理论上确定。例如，空气质量流量值可以通过下述方式来计算：首先根据马达的电流和供应电压确定马达的当前扭矩(t)。由于转速(s)同样被确定且马达应该是已知的，这使得包括或对应于马达效率的马达特性数据(μ)是已知的，所以压缩机级的输出端处的压力(p)可通过以下公式来确定：
7、p＝b0+s*b1+t*b2+s2*b3+t2*b4+μ*b5
8、bx在此为多项式系数。
9、如果已知该压力(p)，则可通过以下公式确定空气质量流量值
10、
11、ax在这个公式中是多项式系数。
12、这样就可以省去用于该测量的传感器。由于省去了用于测量空气质量流量的传感器，就首先有利地节省了用于提供和校准传感器的成本。也可以省去布线，从而整体上简化了燃料电池系统的结构。此外，燃料电池系统的易受干扰性也被降低，这是因为不会遭受传感器本身的故障或布线的故障。还能够省去用于将传感器引入流体路径或将传感器的布线引出流体路径的附加开口。这样的开口必须是密封的，以确保燃料电池系统的功能，其中，此类密封部可能会老化，并因此可能具有损坏处。因此在省去传感器的情况下会进一步降低易受干扰性。
13、总之，这使得燃料电池系统因而总体上更便宜和更可靠。
14、根据第一实施方式，控制部包括用于控制压缩机级的压缩机控制部。压缩机控制部被设立成从燃料电池控制部接收空气质量流量目标值。因此，优选设置了用于接收空气质量流量目标值的接口。压缩机控制部还被设立成确定空气质量流量目标值与理论空气质量流量值之间的调节偏差。压缩机控制部还被设立成依赖于调节偏差来操控电动马达。
15、因此，在基本上执行对电动马达进行操控的任务的压缩机控制部中发生对电动马达自身的操控的调节。因此，与现有技术相比，与所描述的压缩机控制部相结合地使用的燃料电池控制部不再承担对压缩机级的空气质量流量的调节。更确切地说，调节直接在压缩机控制部中发生。仅空气质量流量目标值必须由整体上控制燃料电池系统的燃料电池控制部来提供。因此避免了燃料电池控制部与压缩机控制部之间的耗费的通信。
16、根据一个替选的实施方式，控制部包括压缩机控制部和燃料电池控制部。压缩机控制部被设立成确定理论空气质量流量值，并将其输出至燃料电池控制部。燃料电池控制部被设立成确定目标值、尤其是转速目标值。对目标值、尤其是转速目标值的确定至少依赖于理论空气质量流量值并优选依赖于同样由燃料电池控制部本身确定的空气质量流量目标值来实现。然后，将目标值、即尤其是转速目标值传送至压缩机控制部。压缩机控制部还被设立成：接收目标值并依赖于所接收的目标值来调节电动马达的转速或者依赖于目标值来控制马达。
17、由此，就可以将所提出的压缩机系统简单地整合到现有的燃料电池系统中。因此，基本上不必在燃料电池系统的常规调节回路中对燃料电池控制部进行调整就能实现本压缩机系统。常规的燃料电池控制部从传感器获得空气质量流量值。因此，为了与这里提出的压缩机系统相匹配，只需将从传感器接收的空气质量流量值替换为来自压缩机控制部的理论空气质量流量值。常规的燃料电池控制部由此计算出用于压缩机系统的转速目标值，并将其传送给压缩机控制部。
18、因此，尽管这里仍然沿用了上述的在压缩机控制部与燃料电池控制部之间的复杂的通信，然而其中，本压缩机系统在无需进行复杂的修改的情况下便可以整合到现有的燃料电池系统中，而且同时可以省去传感器。
19、根据另一个实施方式，控制部被设立成：附加地确定向电动马达供应的电压，并附加地依赖于该电压来确定理论空气质量流量值。原则上，向压缩机级的马达供应的电压可假定是基本上恒定的。因此，用于确定空气质量流量值的马达扭矩也可以根据被假定为恒定的电压值和特定的当前电流值来获知。尽管如此，同时考虑当前的确定的、尤其是所测得的电动马达的供应电压是有利的，这是因为电压波动也被考虑在内。例如，由于储能装置例如在车辆的特殊行驶状况期间为压缩机系统的运行提供或供应电压，就会出现电压波动。因此，就可以更准确地确定理论空气质量流量值。
20、根据另一个实施方式，压缩机系统包括传感器设施，该传感器设施包括一个或多个传感器。传感器设施优选包括压力传感器、gps传感器、湿度传感器和/或温度传感器。传感器设施布置在流体路径之外。传感器设施被设立成：确定、即尤其是测量流体路径之外的环境的测量值，并依赖于一个或多个测量值来确定理论空气质量流量。测量值优选是压缩机系统的环境中的气压、空气湿度和/或海拔。海拔优选用于确定作为测量值的压缩机系统的环境中的空气的环境压力或氧气含量。
21、由于压缩机系统的传感器设施而可能的是：更准确地确定附加地依赖于所抽吸的空气的特点的理论空气质量流量值。
22、根据另一个实施方式，控制部包括用于与优选车辆的总线、尤其是can总线连接的至少一个接口。该接口被设立成：通过与总线连接的传感器来确定流体路径之外的环境的测量值、尤其是气压和/或空气湿度，并依赖于该测量值来确定理论空气质量流量值。根据该实施方式，可以使用车辆现有的传感器系统，该传感器系统本就例如用于乘客舱的空调装置。因此，不需要提供附加的传感器，就能通过压缩机系统更准确地确定理论空气质量流量值。
23、根据另一个实施方式，压缩机系统还包括阀，该阀被设立成：改变燃料电池系统的至少一个燃料电池中的压力。阀优选可被布置在燃料电池系统的至少一个燃料电池的输入端处。控制部还被设立成：依赖于电流和转速或依赖于电流和频率以及优选还有测量值来确定理论压力值。理论压力值的确定优选也通过计算来实现。控制部还被设立成依赖于理论压力值来操控阀。
24、在燃料电池系统中设置阀并依赖于压力值对阀进行控制或调节基本上是已知的。然而，在现有技术中在此则规定在燃料电池系统中布置压力传感器，以便测量压力值。根据该实施方式，现在也可以将压力传感器省去，这是因为要将压力值作为理论压力值来计算。相应地，这里也可以将燃料电池系统上的布线和用于传感器的开口省去。此外，也不再需要控制部与传感器之间的通信，从而进一步降低了用于通信的耗费。此外，由于省去了压力传感器，也降低了整个系统的易错性。
25、根据另一个实施方式，控制部的压缩机控制部被设立成：从燃料电池控制部接收压力目标值，并确定压力目标值与理论压力值之间的调节偏差。压缩机控制部还被设立成依赖于调节偏差来操控阀。
26、因此，燃料电池控制部可以完全摆脱调节任务，这些调节任务是为了燃料电池的运行而输送空气质量流所必需的。更确切地说，这些调节任务被完全转移到压缩机控制部上。因此，压缩机控制部和燃料电池控制部之间的通信可以减少到最少，即通过压缩机控制部接收来自燃料电池控制部的针对空气质量流量和压力的一个或多个目标值。
27、根据另一个实施方式，压缩机控制部被设立成确定理论压力值并将其传送至燃料电池控制部。燃料电池控制部还被设立成依赖于理论压力值来操控阀。
28、由此，燃料电池系统的常规结构得以保留，并且压缩机控制部也能以简单的方式整合到这种燃料电池系统中。
29、本发明还涉及燃料电池系统，该燃料电池系统具有根据上述实施方式中任一个实施方式所述的压缩机系统和燃料电池或带有多个燃料电池的燃料电池堆。
30、本发明还涉及车辆，该车辆具有根据上述实施方式中任一个实施方式所述的压缩机系统或具有根据上述实施方式所述的燃料电池系统。
31、本发明还涉及用于运行具有根据上述实施方式中任一个实施方式所述的压缩机系统的燃料电池系统的方法。根据该方法，利用压缩机级的电动马达沿流体路径抽吸、压缩空气质量流，并将经压缩的空气质量流作为反应用料排出。利用压缩机系统的控制部来确定向电动马达供应的电流和电动马达的转速或向电动马达供应的电流的频率。此外，依赖于电流和转速或依赖于电流和频率来确定流体路径中的理论空气质量流量值。此外，依赖于理论空气质量流量值来操控马达。
32、根据该方法的一个实施方式，控制部是压缩机控制部。利用压缩机控制部，从燃料电池控制部接收空气质量流量目标值，并确定空气质量流量值与理论空气质量流量目标值之间的调节偏差。此外，依赖于调节偏差来操控电动马达。
33、根据另一个实施方式，控制部包括压缩机控制部和燃料电池控制部。利用压缩机控制部来确定理论空气质量流量值，并将理论空气质量流量值传送至燃料电池控制部。燃料电池控制部依赖于理论空气质量流量值来确定目标值、尤其是转速目标值，并将其传送至压缩机控制部。此外，利用压缩机控制部依赖于目标值地对电动马达进行调节。
34、本发明还涉及包含指令的计算机程序产品，这些指令在计算机上执行时，促使计算机执行上述方法的步骤。
35、以上进一步描述的压缩机系统和以上进一步描述的燃料电池系统的优点和优选实施方式同时也是根据本发明的方法的优点和优选实施方式，并且反之亦然，因此为了避免重复，参考上述实施方案。
1.用于燃料电池系统(10)的压缩机系统(25)，所述压缩机系统具有至少一个压缩机级(24)，所述压缩机级具有电动马达(28)并被设立成：利用马达(28)沿流体路径(22)抽吸(80)、压缩(82)空气质量流(27)，并将经压缩的空气质量流(27)作为反应用料排出(84)，并且所述压缩机系统还具有控制部(39)，所述控制部被设立成：
2.根据权利要求1所述的压缩机系统(25)，其中，所述控制部(39)包括压缩机控制部(30)，所述压缩机控制部被设立成从燃料电池控制部(38)接收空气质量流量目标值(49)，确定所述空气质量流量目标值(49)与所述理论空气质量流量值(48)之间的调节偏差，以及依赖于所述调节偏差来操控所述电动马达(28)。
3.根据权利要求1所述的压缩机系统(25)，其中，所述控制部(39)包括压缩机控制部(30)和燃料电池控制部(38)，并且所述压缩机控制部(30)被设立成：确定所述理论空气质量流量值(48)并将所述理论空气质量流量值传送至所述燃料电池控制部(38)，其中，所述燃料电池控制部(38)被设立成：依赖于所述理论空气质量流量值(48)来确定目标值(50)、尤其是转速目标值(50)并将所述目标值传送至所述压缩机控制部(30)，其中，所述压缩机控制部(30)还被设立成：接收所述目标值(50)，并依赖于所接收的目标值(50)来调节所述电动马达(28)的转速(42)。
4.根据上述权利要求中任一项所述的压缩机系统(25)，其中，所述控制部(39)被设立成：附加地确定向所述马达(28)供应的电压(33)，并附加地依赖于所述电压(33)来确定所述理论空气质量流量值(48)。
5.根据上述权利要求中任一项所述的压缩机系统(25)，其中，所述压缩机系统(25)包括传感器设施(52)，所述传感器设施尤其是包括压力传感器(54)和/或gps传感器(47)和/或湿度传感器(56)和/或温度传感器(55)，所述传感器设施布置在所述压缩机级(24)的流体路径(22)之外并且被设立成：确定所述流体路径(22)之外的环境的测量值(57)、尤其是气压和/或空气湿度和/或海拔，并且依赖于一个或多个测量值(57)来确定所述理论空气质量流量值(48)。
6.根据上述权利要求中任一项所述的压缩机系统(25)，其中，所述控制部(39)包括用于与总线(58)、尤其是can总线(59)连接的至少一个接口(53)，以便经由所述接口(53)根据另外的传感器设施(60)的与所述总线(58)连接的传感器来确定所述流体路径(22)之外的环境的测量值(57)、尤其是气压和/或空气湿度，并且依赖于一个或多个测量值(57)来确定所述理论空气质量流量值(48)。
7.根据上述权利要求中任一项所述的压缩机系统(25)，其中，所述压缩机系统(25)还包括阀(62)，所述阀被设立成：改变所述燃料电池系统(10)的至少一个燃料电池(12)中的压力，其中，所述控制部(39)还被设立成：依赖于所确定的电流(44)和转速(42)或依赖于所确定的电流(44)和所述频率，尤其是通过计算来获知理论压力值(64)，并且依赖于所述理论压力值(64)来操控所述阀(62)。
8.根据权利要求7所述的压缩机系统(25)，其中，所述控制部(39)包括压缩机控制部(30)，并且所述压缩机控制部(30)被设立成：从所述燃料电池控制部(38)接收压力目标值，确定所述压力目标值与所述理论压力值(64)之间的调节偏差，以及依赖于所述调节偏差来操控所述阀(62)。
9.根据权利要求7所述的压缩机系统(25)，其中，所述控制部(39)包括压缩机控制部(30)和燃料电池控制部(38)，并且所述压缩机控制部(30)被设立成：确定所述理论压力值(64)并将所述理论压力值传送至所述燃料电池控制部(38)，并且所述燃料电池控制部(38)被设立成：依赖于所述理论压力值(64)来操控所述阀(62)。
10.燃料电池系统(10)，所述燃料电池系统包括根据权利要求1至9中任一项所述的压缩机系统(25)和燃料电池(12)或具有多个燃料电池(12)的燃料电池堆。
11.车辆，所述车辆具有根据权利要求10所述的燃料电池系统(10)或根据权利要求1至9中任一项所述的压缩机系统(25)。
12.用于运行具有根据权利要求1至9中任一项所述的压缩机系统(25)的燃料电池系统(10)的方法，所述方法包括利用压缩机级(24)执行的步骤：
13.根据权利要求12所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
14.根据权利要求12所述的方法，所述方法还包括以下步骤：
15.计算机程序产品，所述计算机程序产品包括指令，当所述指令在计算机上被执行时，所述指令执行根据权利要求12至14中任一项所述的方法的步骤。
