DE102022213171A1 - Method for operating an air conveying and air compression system, control device - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Luftförder- und Luftverdichtungssystems (1), umfassend einen mittels einer Turbine (2) angetriebenen Verdichter (3) mit einem über Gaslager gelagerten Rotor. Erfindungsgemäß wird während eines Start- und/oder Stoppvorgangs eine Diagnose des aktuellen Zustands des Verdichters (3), insbesondere der Gaslager des Rotors, durchgeführt, indem mindestens eine Bewertungsgröße für das Start- und/oder Stoppverhalten des Verdichters (3) ermittelt und ausgewertet wird.Die Erfindung betrifft ferner ein Steuergerät zur Ausführung von Schritten des Verfahrens.The invention relates to a method for operating an air conveying and air compression system (1), comprising a compressor (3) driven by a turbine (2) with a rotor supported by gas bearings. According to the invention, a diagnosis of the current state of the compressor (3), in particular of the gas bearings of the rotor, is carried out during a start and/or stop process by determining and evaluating at least one evaluation variable for the start and/or stop behavior of the compressor (3). The invention further relates to a control device for carrying out steps of the method.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Luftförder- und Luftverdichtungssystems, umfassend einen mittels einer Turbine angetriebenen Verdichter. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Steuergerät zur Ausführung des Verfahrens bzw. zur Ausführung von Schritten des Verfahrens.The invention relates to a method for operating an air conveying and air compression system, comprising a compressor driven by a turbine. Furthermore, the invention relates to a control device for carrying out the method or for carrying out steps of the method.

Bevorzugter Anwendungsbereich der Erfindung sind Luftsysteme für Brennstoffzellensysteme, insbesondere für mobile Brennstoffzellensysteme bzw. Brennstoffzellenfahrzeuge.The preferred field of application of the invention is air systems for fuel cell systems, in particular for mobile fuel cell systems or fuel cell vehicles.

Stand der TechnikState of the art

Brennstoffzellensysteme benötigen ein Reduktionsmittel, in der Regel Wasserstoff, sowie ein Oxidationsmittel, in der Regel Sauerstoff. Als Sauerstofflieferant dient üblicherweise Luft, die der Umgebung entnommen wird. Wasserstoff und Sauerstoff werden in den Brennstoffzellen in elektrische Energie, Wärme und Wasser gewandelt. In der Praxis wird eine Vielzahl von Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack zusammengefasst.Fuel cell systems require a reducing agent, usually hydrogen, and an oxidizing agent, usually oxygen. Air, which is taken from the environment, is usually used as the oxygen supplier. Hydrogen and oxygen are converted into electrical energy, heat and water in the fuel cells. In practice, a large number of fuel cells are combined to form a fuel cell stack.

Da die elektrochemische Reaktion in den Brennstoffzellen einen gewissen Luftmassenstrom sowie ein gewisses Druckniveau erfordert, wird die den Brennstoffzellen zugeführte Luft zuvor mit Hilfe eines Luftförder- und Luftverdichtungssystem verdichtet. Dieses kann ein- oder mehrstufig sowie ein- oder mehrflutig aufgebaut sein. Darüber hinaus kann eine Turbine zur Energierückgewinnung vorgesehen sein, der hierzu die verbrauchte Luft bzw. Abluft zugeführt wird. Bei einstufigen Luftförder- und Luftverdichtungssystemen ist die Turbine über eine gemeinsame Welle mit einem elektromotorischen Antrieb eines Verdichters verbunden. Bei mehrstufigen, insbesondere zweistufigen, Systemen, kann eine erste Stufe elektromotorisch und eine zweite Stufe mittels einer Turbine angetrieben werden. Die turbinengetriebene Stufe kann dabei der elektromotorisch angetriebenen Stufe vor- oder nachgeschaltet sein. Die mehrstufige Verdichtung besitzt den Vorteil, dass höhere Systemdrücke möglich sind.Since the electrochemical reaction in the fuel cells requires a certain air mass flow and a certain pressure level, the air supplied to the fuel cells is first compressed using an air conveying and air compression system. This can be single- or multi-stage and single- or multi-flow. In addition, a turbine can be provided for energy recovery, to which the used air or exhaust air is fed. In single-stage air conveying and air compression systems, the turbine is connected to an electric motor drive of a compressor via a common shaft. In multi-stage, particularly two-stage, systems, a first stage can be driven by an electric motor and a second stage by a turbine. The turbine-driven stage can be connected upstream or downstream of the electric motor-driven stage. Multi-stage compression has the advantage that higher system pressures are possible.

Als Verdichter in einem Luftförder- und Luftverdichtungssystem werden häufig thermische Strömungsmaschinen eingesetzt. Diese weisen einen Rotor auf, der in der Regel über zwei Radiallager und ein Axiallager drehbar gelagert ist. In Brennstoffzellensystemen sind diese Lager aus Gründen der Ölfreiheit als Gas- bzw. Luftlager ausgeführt. Unterschreitet die thermische Strömungsmaschine eine Mindestdrehzahl, die sogenannte Abhebedrehzahl, kommt es anstelle einer Gasreibung zu einer Festkörperreibung und damit zu einer hohen Beanspruchung der Lager. Dies ist regelmäßig beim Stoppen bzw. Auslaufen der thermischen Strömungsmaschine der Fall. Gleiches gilt beim Starten bzw. Anlaufen der thermischen Strömungsmaschine, bis die Abhebedrehzahl erreicht ist. In der Folge kann es zu Materialaufwurf und/oder Lagerfressern kommen. Weitere irreversible Effekte durch Alterung und Verschleiß sowie reversible Effekte durch Eisbildung können dazu führen, dass die thermische Strömungsmaschine nicht oder nur verzögert anläuft und/oder ein auffälliges Auslaufverhalten zeigt.Thermal flow machines are often used as compressors in an air conveying and air compression system. These have a rotor that is usually mounted so that it can rotate using two radial bearings and one axial bearing. In fuel cell systems, these bearings are designed as gas or air bearings to avoid oil. If the thermal flow machine falls below a minimum speed, the so-called take-off speed, solid friction occurs instead of gas friction, resulting in high stress on the bearings. This is usually the case when the thermal flow machine stops or runs down. The same applies when the thermal flow machine starts or runs up until the take-off speed is reached. This can lead to material build-up and/or bearing seizure. Other irreversible effects due to aging and wear, as well as reversible effects due to ice formation, can lead to the thermal flow machine not starting or only starting with a delay and/or showing conspicuous run-down behavior.

Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, Schäden, insbesondere Lagerschäden, eines turbinengetriebenen Verdichters eines Luftförder- und Luftverdichtungssystems möglichst frühzeitig zu entdecken, um einen Ausfall des Verdichters zu verhindern.The present invention is concerned with the task of detecting damage, in particular bearing damage, of a turbine-driven compressor of an air conveying and air compression system as early as possible in order to prevent a failure of the compressor.

Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus wird ein Steuergerät zur Ausführung von Schritten des Verfahrens angegeben.To solve the problem, the method with the features of claim 1 is proposed. Advantageous further developments of the invention can be found in the subclaims. In addition, a control device for carrying out steps of the method is specified.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben eines Luftförder- und Luftverdichtungssystems, das einen mittels einer Turbine angetriebenen Verdichter mit einem über Gaslager gelagerten Rotor umfasst. Erfindungsgemäß wird während eines Start- und/oder Stoppvorgangs eine Diagnose des aktuellen Zustands des Verdichters, insbesondere der Gaslager des Rotors, durchgeführt, indem mindestens eine Bewertungsgröße für das Start- und/oder Stoppverhalten des Verdichters ermittelt und ausgewertet wird.A method is proposed for operating an air conveying and air compression system which comprises a compressor driven by a turbine with a rotor supported by gas bearings. According to the invention, a diagnosis of the current state of the compressor, in particular of the gas bearings of the rotor, is carried out during a start and/or stop process by determining and evaluating at least one evaluation variable for the start and/or stop behavior of the compressor.

Mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens kann eine SOH („State of Health“)-Diagnose durchgeführt werden, die insbesondere den Verschleißzustand der Gaslager des turbinengetriebenen Verdichters erkennen lässt. Denn mit zunehmendem Verschleißzustand ändern sich sowohl das Start- als auch das Stoppverhalten des Verdichters.Using the proposed method, a SOH (“State of Health”) diagnosis can be carried out, which in particular allows the wear condition of the gas bearings of the turbine-driven compressor to be identified. This is because as the wear condition increases, both the start and stop behavior of the compressor change.

Nach dem vorgeschlagenen Verfahren wird während eines Start- und/oder Stoppvorgangs das Start- und/oder Stoppverhalten des Verdichters bewertet, und zwar anhand mindestens einer Bewertungsgröße. Vorzugsweise werden mehrere Bewertungsgrößen herangezogen, da sich diese unterscheiden können, je nachdem, ob sie das Startverhalten oder das Stoppverhalten bewerten sollen.According to the proposed method, the start and/or stop behavior of the compressor is evaluated during a start and/or stop process using at least one evaluation variable. Preferably, several evaluation variables are used, since these can differ depending on whether they are intended to evaluate the start behavior or the stop behavior.

Das vorgeschlagene Verfahren besitzt den Vorteil, dass sich anhand der mindestens einen Bewertungsgröße der Zustand des Verdichters, insbesondere seiner Gaslager, überwachen lässt. Etwaige Schäden können frühzeitig detektiert werden, so dass Maßnahmen zur Schadensbegrenzung und/oder Schadensbehebung eingeleitet werden können. Beispielsweise kann die Betriebsstrategie angepasst werden, um die Beanspruchung des Verdichters, insbesondere seiner Gaslager, zu reduzieren. Alternativ oder ergänzend kann bzw. können eine Werkstatt aufgesucht und/oder ein Ersatzteil beschafft werden. Auf diese Weise kann ein Ausfall des Verdichters sicher verhindert werden, so dass sich die Zuverlässigkeit und die Verfügbarkeit erhöhen. Dies gilt insbesondere bei einer Anwendung der Erfindung in mobilen Brennstoffzellensystemen, wie beispielsweise Nutzfahrzeuge.The proposed method has the advantage that, based on the at least one The evaluation parameter allows the condition of the compressor, in particular its gas bearings, to be monitored. Any damage can be detected early so that measures can be taken to limit and/or repair the damage. For example, the operating strategy can be adjusted to reduce the load on the compressor, in particular its gas bearings. Alternatively or additionally, a workshop can be visited and/or a spare part can be obtained. In this way, a failure of the compressor can be reliably prevented, so that reliability and availability are increased. This applies in particular when the invention is used in mobile fuel cell systems, such as commercial vehicles.

Die mindestens eine Bewertungsgröße für das Start- und/oder Stoppverhalten des Verdichters wird vorzugsweise aus mindestens einer sensorisch erfassten Größe, beispielsweise

  • - aus der Drehzahl,
  • - aus dem Druck und/oder Massenstrom am Eintritt der Turbine,
  • - aus dem Druck und/oder Massenstrom stromaufwärts oder stromabwärts des Luftförder- und Luftverdichtungssystems und/oder
  • - aus dem Differenzdruck über die Turbine,
ermittelt.The at least one evaluation variable for the start and/or stop behavior of the compressor is preferably derived from at least one sensor-detected variable, for example
  • - from the speed,
  • - from the pressure and/or mass flow at the turbine inlet,
  • - from the pressure and/or mass flow upstream or downstream of the air conveying and compression system and/or
  • - from the differential pressure across the turbine,
determined.

Sofern ein Drehzahlsensor vorhanden ist, kann die Drehzahl erfasst und zur Ermittlung der Bewertungsgröße genutzt werden. Da in der Regel mindestens ein Sensor zur Erfassung einer thermodynamischen Größe, wie beispielsweise Druck oder Massenstrom, im Luftsystem vorhanden ist, können auch diese Größen zur Ermittlung der Bewertungsgröße genutzt werden. Da auf bereits vorhandene Sensoren zurückgegriffen werden kann, ist ein zusätzlicher Sensor entbehrlich.If a speed sensor is present, the speed can be recorded and used to determine the evaluation variable. Since there is usually at least one sensor in the air system for recording a thermodynamic variable, such as pressure or mass flow, these variables can also be used to determine the evaluation variable. Since existing sensors can be used, an additional sensor is not required.

Während eines Startvorgangs können beispielsweise aus der Drehzahl und/oder der mindestens einen thermodynamischen Größe der Start-Punkt des Rotors sowie die an diesem Punkt vorliegenden Bedingungen ermittelt werden. Aus diesen Größen kann dann wiederum eine Bewertungsgröße für das Startverhalten abgeleitet werden.During a start-up process, the starting point of the rotor and the conditions prevailing at this point can be determined from the speed and/or at least one thermodynamic variable. An evaluation variable for the start-up behavior can then be derived from these variables.

Während eines Stoppvorgangs kann beispielsweise aus der Drehzahl und/oder der mindestens einen thermodynamischen Größe das Ende der reinen Gasreibung ermittelt werden. Die reine Gasreibung endet mit dem Aufsetzen des Rotors auf den Lagerschalen bzw. auf dem Gehäuse, das heißt mit dem Beginn der Festkörperreibung.During a stopping process, the end of pure gas friction can be determined from the speed and/or at least one thermodynamic variable, for example. Pure gas friction ends when the rotor touches the bearing shells or the housing, i.e. when solid friction begins.

Bevorzugt wird die mindestens eine Bewertungsgröße für das Start- und/oder Stoppverhalten des Verdichters modellbasiert ermittelt. Ferner bevorzugt werden unterschiedliche Modelle zur Ermittlung der Bewertungsgröße für das Startverhalten und zur Ermittlung der Bewertungsgröße für das Stoppverhalten eingesetzt.Preferably, the at least one evaluation variable for the start and/or stop behavior of the compressor is determined on a model-based basis. Furthermore, different models are preferably used to determine the evaluation variable for the start behavior and to determine the evaluation variable for the stop behavior.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die mindestens eine Bewertungsgröße

  • - für das Startverhalten das Losbrechmoment des Rotors oder mindestens eine mit dem Losbrechmoment zusammenhängende Größe und/oder
  • - für das Stoppverhalten die Auslaufzeit des Rotors
ist.It is further proposed that at least one assessment variable
  • - for the starting behaviour, the breakaway torque of the rotor or at least one value related to the breakaway torque and/or
  • - for the stopping behaviour the run-down time of the rotor
is.

Das Losbrechmoment ist ein Maß für die Reibung beim Start, wenn die Drehzahl gleich null ist. Das Losbrechmoment kann beispielsweise aus dem am Eintritt der Turbine anliegenden Druck ermittelt werden, sofern dieser sensorisch erfasst wird. Alternativ oder ergänzend kann der Differenzdruck über die Turbine und/oder eine andere thermodynamische Größe zur Ermittlung des Losbrechmoments genutzt werden.The breakaway torque is a measure of the friction at start-up when the speed is zero. The breakaway torque can be determined, for example, from the pressure at the turbine inlet, provided this is detected by a sensor. Alternatively or in addition, the differential pressure across the turbine and/or another thermodynamic quantity can be used to determine the breakaway torque.

Da sich die Auslaufzeit eines Rotors mit zunehmendem Lagerverschleiß verkürzt, stellt sie eine ideale Bewertungsgröße für das Stoppverhalten des Verdichters dar.Since the run-down time of a rotor shortens with increasing bearing wear, it represents an ideal evaluation parameter for the stopping behavior of the compressor.

Da die Temperatur einen wesentlichen Einfluss auf die Auslaufzeit eines Rotors haben kann, wird in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, dass die Temperatur erfasst und bei der Ermittlung der Bewertungsgröße für das Stoppverhalten des Verdichters berücksichtigt wird. Erfolgt die Ermittlung der Bewertungsgröße modellbasiert, kann die Temperatur als weitere Bedingung Berücksichtigung finden, so dass man eine temperaturkompensierte bzw. temperaturnormierte Auslaufzeit erhält.Since the temperature can have a significant influence on the run-down time of a rotor, it is proposed in a further development of the invention that the temperature is recorded and taken into account when determining the evaluation variable for the stopping behavior of the compressor. If the evaluation variable is determined based on a model, the temperature can be taken into account as a further condition so that a temperature-compensated or temperature-normalized run-down time is obtained.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Auswertung der mindestens einen ermittelten Bewertungsgröße für das Start- und/oder Stoppverhalten des Verdichters einen Vergleich mit mindestens einem Referenzwert umfasst. Als Referenzwert kann insbesondere ein im Neuzustand des Verdichters ermittelter Wert der Bewertungsgröße dienen. Die aktuell ermittelte Bewertungsgröße kann auch mit Bewertungsgrößen verglichen werden, die zu einem früheren Zeitpunkt ermittelt wurden. Dies setzt voraus, dass die ermittelten Bewertungsgrößen gespeichert werden.It is further proposed that the evaluation of the at least one determined evaluation variable for the start and/or stop behavior of the compressor includes a comparison with at least one reference value. In particular, a value of the evaluation variable determined when the compressor was new can serve as a reference value. The currently determined evaluation variable can also be compared with evaluation variables that were determined at an earlier point in time. This requires that the determined evaluation variables are saved.

Bevorzugt wird die mindestens eine ermittelte Bewertungsgröße mit mindestens einem Grenzwert verglichen. Der mindestens eine Grenzwert wird vorab definiert und in einem Speicher hinterlegt. Wird der mindestens eine Grenzwert über- oder unterschritten, kann ein Warnhinweis optisch und/oder akustisch abgesetzt werden. Vorzugsweise definiert der mindestens eine Grenzwert eine Ober- und/oder Untergrenze eines unkritischen Betriebsbereichs. Wird der Grenzwert erreicht, signalisiert dies Handlungsbedarf. Beispielsweise kann die Betriebsstrategie angepasst und/oder eine Werkstatt aufgesucht werden. Preferably, the at least one determined evaluation value is compared with at least one limit value. The at least one limit value is defined in advance and stored in a memory. If the at least one limit value is exceeded or not reached, a warning can be given optically and/or acoustically. Preferably, the at least one limit value defines an upper and/or lower limit of a non-critical operating range. If the limit value is reached, this signals the need for action. For example, the operating strategy can be adjusted and/or a workshop can be visited.

Vorteilhafterweise wird die mindestens eine Bewertungsgröße für das Start- und/oder Stoppverhalten des Verdichters über die gesamte Laufzeit des Luftförder- und Luftverdichtungssystems erfasst und ausgewertet, und zwar vorzugsweise bei jedem Start- und/oder Stoppvorgang des Luftförder- und Luftverdichtungssystems. Die fortlaufende Überwachung ermöglicht eine Kontrolle der über die Laufzeit eintretenden Zustandsänderungen sowie eine Prognose dahingehend, wann ein Ausfall des Verdichters droht. Demzufolge können rechtzeitig Maßnahmen ergriffen werden, um den Ausfall zu verhindern.Advantageously, the at least one evaluation variable for the start and/or stop behavior of the compressor is recorded and evaluated over the entire running time of the air conveying and air compression system, preferably at each start and/or stop process of the air conveying and air compression system. The continuous monitoring enables control of the changes in status that occur over the running time and a forecast as to when a compressor failure is imminent. As a result, measures can be taken in good time to prevent the failure.

Zur fortlaufenden Überwachung des Zustands des Verdichters und/oder zu Prognosezwecken werden vorzugsweise alle sensorisch erfassten Größen zur Ermittlung der mindestens einen Bewertungsgröße und/oder die über Lebenszeit ermittelten Bewertungsgrößen in einem Speicher, vorzugsweise in einem Speicher eines Steuergeräts, abgelegt.For continuous monitoring of the condition of the compressor and/or for forecasting purposes, preferably all sensor-detected variables for determining the at least one evaluation variable and/or the evaluation variables determined over the lifetime are stored in a memory, preferably in a memory of a control unit.

Darüber hinaus wird ein Steuergerät vorgeschlagen, das dazu eingerichtet ist, Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. Mit Hilfe des Steuergeräts können insbesondere sensorisch erfasste Größen eingelesen und ausgewertet werden. Ferner können diese Größen gespeichert werden. Die Auswertung kann insbesondere die Ermittlung mindestens einer Bewertungsgröße für das Start- und/oder Stoppverhalten des Verdichters aus den sensorisch erfassten Größen beinhalten. Hierzu kann im Steuergerät ein Modell hinterlegt sein, so dass die Ermittlung der mindestens einen Bewertungsgröße modellbasiert erfolgen kann. Die Auswertung kann ferner einen Vergleich der mindestens einen ermittelten Bewertungsgröße mit mindestens einem Referenz- und/oder Grenzwert beinhalten. In diesem Fall ist der mindestens eine Referenz- und/oder Grenzwert im Steuergerät hinterlegt.In addition, a control device is proposed which is set up to carry out steps of a method according to the invention. With the help of the control device, in particular, variables detected by sensors can be read in and evaluated. Furthermore, these variables can be stored. The evaluation can in particular include the determination of at least one evaluation variable for the start and/or stop behavior of the compressor from the variables detected by sensors. For this purpose, a model can be stored in the control device so that the determination of the at least one evaluation variable can be model-based. The evaluation can also include a comparison of the at least one determined evaluation variable with at least one reference and/or limit value. In this case, the at least one reference and/or limit value is stored in the control device.

Die Erfindung und ihre Vorteile werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung eines Luftsystems mit einem ersten mehrstufigen Luftförder- und Luftverdichtungssystem, das nach einem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden kann,
  • 2 eine schematische Darstellung eines Luftsystems mit einem zweiten mehrstufigen Luftförder- und Luftverdichtungssystem, das nach einem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden kann,
  • Fug. 3 ein Diagramm zur Darstellung sensorisch erfasster Größen während eines Startvorgangs des Luftförder- und Luftverdichtungssystems,
  • 4 ein Diagramm zur Darstellung sensorisch erfasster Größen während eines Stoppvorgangs des Luftförder- und Luftverdichtungssystems,
  • 5 ein Diagramm zur Darstellung einer Bewertungsgröße für das Startverhalten über der Anzahl der Starts und
  • 6 ein Diagramm zur Darstellung einer Bewertungsgröße für das Stoppverhalten über der Anzahl der Stopps.
The invention and its advantages are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. These show:
  • 1 a schematic representation of an air system with a first multi-stage air conveying and air compression system which can be operated according to a method according to the invention,
  • 2 a schematic representation of an air system with a second multi-stage air conveying and air compression system, which can be operated according to a method according to the invention,
  • Fig. 3 is a diagram showing sensor-detected variables during a start-up process of the air conveying and air compression system,
  • 4 a diagram showing sensor-detected variables during a stop process of the air conveying and air compression system,
  • 5 a diagram showing an evaluation value for the starting behaviour over the number of starts and
  • 6 a diagram showing an evaluation of the stopping behavior over the number of stops.

Ausführliche Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings

Der 1 ist ein Luftsystem zu entnehmen, das der Versorgung einer Kathode 4 eines Brennstoffzellenstapels 5 mit Luft dient. Da die elektrochemische Reaktion in den Brennstoffzellen einen gewissen Luftmassenstrom erfordert, umfasst das Luftsystem ein Luftförder- und Luftverdichtungssystem 1, mit einer ersten Verdichtungsstufe 1.1 und einer zweiten Verdichtungsstufe 1.2. Die erste Verdichtungsstufe 1.1 weist einen in einem Zuluftpfad 6 angeordneten Verdichter 3 auf, der elektromotorisch angetrieben wird. Die zweite Verdichtungsstufe 1.2 weist einen stromabwärts des ersten Verdichters 3 im Zuluftpfad 6 angeordneten Verdichter 3 auf, der mittels einer Turbine 2 angetrieben wird. Die Turbine 2 ist in einem Abluftpfad 7 angeordnet, so dass ihr die aus dem Brennstoffzellenstapel 5 austretende Luft bzw. Abluft zugeführt wird. Auf diese Weise kann ein Teil der zuvor zum Verdichten eingesetzten Energie zurückgewonnen werden.The 1 an air system can be seen which serves to supply a cathode 4 of a fuel cell stack 5 with air. Since the electrochemical reaction in the fuel cells requires a certain air mass flow, the air system comprises an air conveying and air compression system 1, with a first compression stage 1.1 and a second compression stage 1.2. The first compression stage 1.1 has a compressor 3 arranged in an air supply path 6, which is driven by an electric motor. The second compression stage 1.2 has a compressor 3 arranged downstream of the first compressor 3 in the air supply path 6, which is driven by a turbine 2. The turbine 2 is arranged in an exhaust air path 7, so that the air or exhaust air emerging from the fuel cell stack 5 is fed to it. In this way, part of the energy previously used for compression can be recovered.

Die Luft wird der Umgebung 8 entnommen und über einen Luftfilter 9 dem Verdichter 3 der ersten Verdichtungsstufe 1.1 zugeführt. Da sich die Luft beim Verdichten stark erwärmt, kann bzw. können zwischen den beiden Verdichtungsstufen 1.1, 1.2 ein Wärmeübertrager 10 und/oder ein Kühler 11 zur Zwischenkühlung vorgesehen sein. Stromabwärts der zweiten Verdichtungsstufe 1.2 kann bzw. können ein weiterer Wärmeübertrager 10 zur passiven Kühlung und/oder ein Kühler 11 zur aktiven Kühlung im Zuluftpfad 6 angeordnet sein. Um die Kathode 4 vom Luftsystem zu trennen, beispielsweise im Abstellfall, ist im Zuluftpfad 6 sowie im Abluftpfad 7 jeweils ein Absperrventil 12 vorgesehen. Bei geschlossenen Absperrventilen 12 kann ein Bypassventil 14 in einem Stack-Bypass 13 geöffnet werden, so dass der Zuluftpfad 6 und der Abluftpfad 7 kurzgeschlossen werden. Der Turbine 2 wird dann verdichtete Luft anstelle von Abluft zugeführt. Zur Umgehung der Turbine 2 ist ein Turbinen-Bypass 15 mit integriertem Bypassventil 16 vorgesehen. Stromabwärts der Turbine 2 ist ein Druckregler 17 im Abluftpfad 7 angeordnet.The air is taken from the environment 8 and fed to the compressor 3 of the first compression stage 1.1 via an air filter 9. Since the air heats up considerably during compression, a heat exchanger 10 and/or a cooler 11 for intermediate cooling can be provided between the two compression stages 1.1, 1.2. Downstream of the second compression stage 1.2, a further heat exchanger 10 for passive cooling and/or a cooler 11 for active cooling can be arranged in the supply air path 6. In order to separate the cathode 4 from the air system, for example in the In the event of a shutdown, a shut-off valve 12 is provided in the supply air path 6 and in the exhaust air path 7. When the shut-off valves 12 are closed, a bypass valve 14 in a stack bypass 13 can be opened so that the supply air path 6 and the exhaust air path 7 are short-circuited. Compressed air is then supplied to the turbine 2 instead of exhaust air. A turbine bypass 15 with an integrated bypass valve 16 is provided to bypass the turbine 2. A pressure regulator 17 is arranged in the exhaust air path 7 downstream of the turbine 2.

Der 2 ist ein weiteres Luftsystem zur Versorgung einer Kathode 4 eines Brennstoffzellenstapels 5 mit Luft zu entnehmen. Dieses weist die gleichen Komponenten wie das Luftsystem der 1 auf, jedoch in einer anderen Anordnung. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen gleiche Komponenten. Der Unterschied zum System der 1 im Wesentlichen besteht darin, dass die erste und die zweite Verdichtungsstufe 1.1, 1.2 vertauscht sind.The 2 Another air system for supplying a cathode 4 of a fuel cell stack 5 with air can be seen. This has the same components as the air system of the 1 but in a different arrangement. The same reference numerals indicate the same components. The difference to the system of 1 Essentially, the first and second compression stages 1.1, 1.2 are swapped.

Die Luftförder- und Luftverdichtungssysteme 1 der in den 1 und 2 dargestellten Luftsysteme haben gemein, dass sie jeweils eine Verdichtungsstufe mit einem rein turbinengetriebenen Verdichter 3 umfassen, der einen über Gaslager gelagerten Rotor aufweist. Somit können beide Luftförder- und Luftverdichtungssysteme 1 nach einem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden, um den Zustand des Verdichters 3, insbesondere seiner Gaslager, zu überwachen.The air conveying and air compression systems 1 of the 1 and 2 The air systems shown have in common that they each comprise a compression stage with a purely turbine-driven compressor 3, which has a rotor supported by gas bearings. Thus, both air conveying and air compression systems 1 can be operated according to a method according to the invention in order to monitor the condition of the compressor 3, in particular its gas bearings.

Das Diagramm der 3 zeigt beispielhafte Messungen auf einem Systemprüfstand während eines Startvorgangs eines zweistufigen Luftförder- und Luftverdichtungssystems 1. Dabei wurde der turbinengetriebene Verdichter 3, nachfolgend als TAC bezeichnet, nach dem elektromotorisch angetriebenen Verdichter 3, nachfolgend als EAC bezeichnet, gestartet. Der jeweilige Drehzahlverlauf ist durch die Kurven n, TAC und n,EAC wiedergegeben.The diagram of the 3 shows exemplary measurements on a system test bench during a start-up process of a two-stage air conveying and air compression system 1. The turbine-driven compressor 3, hereinafter referred to as TAC, was started after the electric motor-driven compressor 3, hereinafter referred to as EAC. The respective speed curve is shown by the curves n, TAC and n, EAC.

Der Drehzahlverlauf n, TAC lässt den Start-Zeitpunkt t1 des TAC-Rotors erkennen, so dass sich hieraus eine Bewertungsgröße für das Startverhalten des Luftförder- und Luftverdichtungssystems 1 ermitteln lässt. Dies gilt analog für den Druck p am Eingang der Turbine 2 sowie den Differenzdruck Δp,T über die Turbine 2, so dass - alternativ oder ergänzend - auch hieraus eine Bewertungsgröße für das Startverhalten abgeleitet werden kann. Vom anliegenden Druck p am Eingang der Turbine 2 kann beispielsweise auf ein Losbrechmoment geschlossen werden. Das Losbrechmoment wiederum ist ein Maß für die Reibung beim Start, wenn die Drehzahl gleich null ist. Die Bewertungsgröße lässt den Zustand des Verdichters 3, insbesondere seiner Gaslager, erkennen, da sich mit zunehmendem Verschleiß die Reibung in den Gaslagern beim Start erhöht.The speed curve n, TAC shows the start time t1 of the TAC rotor, so that an evaluation variable for the start behavior of the air conveying and air compression system 1 can be determined from this. This applies analogously to the pressure p at the inlet of the turbine 2 and the differential pressure Δp,T across the turbine 2, so that - alternatively or additionally - an evaluation variable for the start behavior can also be derived from this. The pressure p at the inlet of the turbine 2 can, for example, be used to determine a breakaway torque. The breakaway torque, in turn, is a measure of the friction during start-up when the speed is zero. The evaluation variable shows the condition of the compressor 3, in particular its gas bearings, since the friction in the gas bearings increases during start-up with increasing wear.

Die Diagnose kann dabei auch modellbasiert erfolgen, indem beispielsweise mit Hilfe eines TAC-Rotor-Lager-Modells aus den gemessenen Größen eine Bewertungsgröße für das Losbrechen ermittelt wird.The diagnosis can also be model-based, for example by using a TAC rotor-bearing model to determine an evaluation parameter for breakaway from the measured parameters.

In der 3 geben die weitere Kurve Δp,C den Verlauf des Differenzdrucks über den Verdichter 3 und die weitere Kurve ṁ den Verlauf des Massenstroms wieder.In the 3 the further curve Δp,C shows the course of the differential pressure across the compressor 3 and the further curve ṁ shows the course of the mass flow.

Das Diagramm der 4 zeigt beispielhafte Messungen auf einem Systemprüfstand während eines Stoppvorgangs eines zweistufigen Luftförder- und Luftverdichtungssystems 1, das heißt beim freien Auslaufen des Rotors des Verdichters 3. Der Drehzahlverlauf von EAC und TAC sind durch die Kurven n, EAC und n, TAC wiedergegeben.The diagram of the 4 shows exemplary measurements on a system test bench during a stop process of a two-stage air conveying and air compression system 1, i.e. during free run-down of the rotor of the compressor 3. The speed curve of EAC and TAC are represented by the curves n, EAC and n, TAC.

Die Auslaufzeit dt_Coast beginnt mit dem Zeitpunkt t1, Ausschalten des EAC, und endet mit dem Zeitpunkt t2, Aufsetzen des TAC-Rotors auf den Lagerschalen bzw. auf dem Gehäuse. Kurz vor dem Zeitpunkt t2 endet die reine Gasreibung und geht in eine Festkörperreibung über. Dieser Zeitpunkt kann entweder aus der Drehzahl n, TAC oder aus einer anderen sensorisch erfassten Größe, wie beispielsweise dem Druck p am Eingang der Turbine, dem Massenstrom ṁ, dem Differenzdruck Δp,C über dem Verdichter 3 des TAC ermittelt werden. Bei signifikantem Lagerverschleiß verkürzt sich die Auslaufzeit dt_Coast deutlich.The run-down time dt_Coast begins at time t1, when the EAC is switched off, and ends at time t2, when the TAC rotor is placed on the bearing shells or on the housing. Shortly before time t2, the pure gas friction ends and changes to solid friction. This point in time can be determined either from the speed n, TAC or from another sensor-detected variable, such as the pressure p at the turbine inlet, the mass flow ṁ, the differential pressure Δp,C across the compressor 3 of the TAC. If there is significant bearing wear, the run-down time dt_Coast is significantly shortened.

Alternativ kann auch hier eine modellbasierte Diagnose erfolgen, das heißt aus den vorliegenden Bedingungen eine Bewertungsgröße durch ein TAC-Rotor-Lager-Modell für das Auslaufen erfolgen. Beispielsweise könnte hier auch die vorliegenden Temperaturen berücksichtigt werden, da diese einen wesentlichen Einfluss auf das Auslaufverhalten haben. Auf diese Weise erhielte man temperaturkompensierte bzw. temperaturnormierte Auslaufzeiten.Alternatively, a model-based diagnosis can also be carried out here, i.e. an evaluation value for the run-out can be derived from the existing conditions using a TAC rotor-bearing model. For example, the existing temperatures could also be taken into account here, as these have a significant influence on the run-out behavior. In this way, temperature-compensated or temperature-normalized run-out times would be obtained.

Die 5 und 6 zeigen jeweils beispielhaft, wie aus einer sensorisch erfassten Größe eine Bewertungsgröße abgeleitet werden kann.The 5 and 6 each show by way of example how an evaluation value can be derived from a sensory value.

In der 5 wird der Druck p am Eingang der Turbine 2 zur Ermittlung einer Bewertungsgröße genutzt, da dieser - wie bereits erwähnt - auf das Losbrechmoment schließen lässt. Das Losbrechmoment wiederum ist ein Maß für die Reibung beim Start, wenn die Drehzahl gleich null ist. Der Druck p am Eingang der Turbine 2 ist auf der y-Achse aufgetragen, die x-Achse gibt die Anzahl der Startvorgänge wieder, die absolviert wurden. In dem dargestellten Beispiel ist ein Einlaufverhalten des TAC erkennbar, das heißt eine ansteigende Kurve bzw. eine Erhöhung der Reibung während der ersten Starts. Danach ergibt sich ein näherungsweise konstantes Verhalten. Da die Reibparameter je nach Stellung des Rotors unterschiedlich sind, ergibt sich auch eine Streuung der Größen. Vorteilhafterweise wird eine Mittelwertbildung der Messwerte vorgenommen. Zur Überwachung können mehrere Grenzwerte verwendet werden. Ein erster Grenzwert p,max1 kann beispielsweise eine Obergrenze eines unkritischen Bereichs definieren, ein weiterer Grenzwert p,max2 eine Obergrenze eines zulässigen Bereichs.In the 5 the pressure p at the inlet of turbine 2 is used to determine an evaluation value, since - as already mentioned - this indicates the breakaway torque. The breakaway torque in turn is a measure of the friction during start-up when the speed is zero. The pressure p at the inlet of turbine 2 is plotted on the y-axis, the x-axis shows the number of start-ups that have been completed. In the diagram shown For example, a running-in behavior of the TAC can be seen, i.e. a rising curve or an increase in friction during the first starts. After that, an approximately constant behavior occurs. Since the friction parameters vary depending on the position of the rotor, there is also a scatter of the values. It is advantageous to average the measured values. Several limit values can be used for monitoring. A first limit value p,max1 can, for example, define an upper limit of a non-critical range, a further limit value p,max2 an upper limit of a permissible range.

6 zeigt analog die Auslaufzeit Δt_Coast über den einzelnen Stoppvorgängen. Die dargestellten Werte sind nicht temperaturkompensiert. Für die Auslaufzeit Δt_Coast können wiederum Grenzwerte definiert werden, die in diesem Fall jeweils eine Untergrenze definieren. Δt_Coast, min1 kann die Untergrenze eines unkritischen Bereichs und Δt_Coast, min2 kann die Untergrenze eines zulässigen Bereichs angeben. 6 shows the run-down time Δt_Coast over the individual stopping processes. The values shown are not temperature compensated. Limit values can be defined for the run-down time Δt_Coast, which in this case each define a lower limit. Δt_Coast, min1 can indicate the lower limit of a non-critical range and Δt_Coast, min2 can indicate the lower limit of a permissible range.

Claims (10)

Verfahren zum Betreiben eines Luftförder- und Luftverdichtungssystems (1), umfassend einen mittels einer Turbine (2) angetriebenen Verdichter (3) mit einem über Gaslager gelagerten Rotor, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Start- und/oder Stoppvorgangs eine Diagnose des aktuellen Zustands des Verdichters (3), insbesondere der Gaslager des Rotors, durchgeführt wird, indem mindestens eine Bewertungsgröße für das Start- und/oder Stoppverhalten des Verdichters (3) ermittelt und ausgewertet wird.Method for operating an air conveying and air compression system (1), comprising a compressor (3) driven by a turbine (2) with a rotor mounted via gas bearings, characterized in that during a start and/or stop process a diagnosis of the current state of the compressor (3), in particular the gas bearings of the rotor, is carried out by determining and evaluating at least one evaluation variable for the start and/or stop behavior of the compressor (3). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Bewertungsgröße aus mindestens einer sensorisch erfassten Größe, beispielsweise - aus der Drehzahl, - aus dem Druck und/oder Massenstrom am Eintritt der Turbine (2), - aus dem Druck und/oder Massenstrom stromaufwärts oder stromabwärts des Luftförder- und Luftverdichtungssystems (1) und/oder - aus dem Differenzdruck über die Turbine (2), ermittelt wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the at least one evaluation variable is determined from at least one sensor-detected variable, for example - from the speed, - from the pressure and/or mass flow at the inlet of the turbine (2), - from the pressure and/or mass flow upstream or downstream of the air conveying and air compression system (1) and/or - from the differential pressure across the turbine (2). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Bewertungsgröße modellbasiert ermittelt wird.Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that the at least one evaluation variable is determined on a model-based basis. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Bewertungsgröße - für das Startverhalten das Losbrechmoment des Rotors oder mindestens eine mit dem Losbrechmoment zusammenhängende Größe und/oder - für das Stoppverhalten die Auslaufzeit des Rotors ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one evaluation variable - for the starting behavior is the breakaway torque of the rotor or at least one variable related to the breakaway torque and/or - for the stopping behavior is the run-down time of the rotor. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur erfasst und bei der Ermittlung der Bewertungsgröße für das Stoppverhalten des Verdichters (3) berücksichtigt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the temperature is recorded and taken into account when determining the evaluation variable for the stopping behavior of the compressor (3). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung der mindestens einen ermittelten Bewertungsgröße für das Start- und/oder Stoppverhalten des Verdichters einen Vergleich mit mindestens einem Referenzwert umfasst.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the evaluation of the at least one determined evaluation variable for the start and/or stop behavior of the compressor comprises a comparison with at least one reference value. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelte Bewertungsgröße mit mindestens einem Grenzwert verglichen wird, der vorzugsweise eine Ober- und/oder Untergrenze eines unkritischen Betriebsbereichs definiert.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the determined evaluation variable is compared with at least one limit value, which preferably defines an upper and/or lower limit of a non-critical operating range. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten des mindestens einen Grenzwerts die Betriebsstrategie angepasst und/oder eine Werkstatt aufgesucht wird.Procedure according to Claim 7 , characterized in that if at least one limit value is exceeded, the operating strategy is adjusted and/or a workshop is visited. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Bewertungsgröße für das Start- und/oder Stoppverhalten des Verdichters (3) über die gesamte Laufzeit des Luftförder- und Luftverdichtungssystems (1) erfasst und ausgewertet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one evaluation variable for the start and/or stop behavior of the compressor (3) is recorded and evaluated over the entire running time of the air conveying and air compression system (1). Steuergerät, das dazu eingerichtet ist, Schritte eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.Control device configured to carry out steps of a method according to one of the preceding claims.
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