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

背景技術：

1、在由燃料電池系統(tǒng)提供電驅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)境空氣供應給燃料電池系統(tǒng)的壓縮機。已知大量不同的壓縮機組件，所述壓縮機組件單流地、雙流地并且單級地或者多級地構造。在此，通常將熱流體機械用作壓縮機。例如，雙級的壓縮機組件包括第一壓縮機，該第一壓縮機具有電驅動器。連接在下游的第二壓縮機能夠經(jīng)由渦輪機被驅動，該渦輪機布置在陰極路徑和尤其是燃料電池系統(tǒng)的排氣路徑中。第一壓縮機和第二壓縮機以及驅動第二壓縮機的渦輪機通常借助空氣軸承被支承，所述空氣軸承要求用于構造相應的空氣層的最小轉速。

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

技術實現(xiàn)思路

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

2、該任務通過具有獨立權利要求1的特征的方法解決。本發(fā)明的有利的實施方式和擴展方案能夠從從屬權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)的壓縮機組件的方法，該壓縮機組件具有能夠電運行的至少一個第一壓縮機和布置在下游的第二壓縮機，所述第二壓縮機經(jīng)由轉子與布置在燃料電池系統(tǒng)的陰極路徑中的渦輪機耦合，所述方法包括下述步驟：啟動至少一個第一壓縮機并且將至少一個第一壓縮機加速到第一轉速，該第一轉速相應于至少一個第一壓縮機的至少一個空轉轉速，從第一轉速梯度值和第二轉速梯度值中選擇第一轉速梯度，其中，第一轉速梯度值大于第二轉速梯度值，將至少一個第一壓縮機以第一轉速梯度從第一轉速加速到第二轉速，在加速到第二轉速期間，檢查轉子是否自由轉動或者轉子是否被卡阻，如果轉子自由轉動，則借助第二轉速梯度將至少一個第一壓縮機加速到最大啟動轉速，或者維持第二轉速，重復地檢查旋轉，并且如果轉子自由轉動，則將至少一個第一壓縮機加速到最大啟動轉速，其中，如果渦輪機的轉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)和運行參數(shù)中選擇第一轉速梯度值，并且其中，如果渦輪機的轉子被卡阻的概率更大，則選擇第二轉速梯度值。

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

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

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

7、如果假定轉子未被卡阻，則第一壓縮機可以以較大的加速度被加速到第二轉速。然而，在轉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的可能的泵送，并且此外可以限制壓縮機組件中的熱梯度。

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

9、由于至少一個第一壓縮機的轉速的提高和(如進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子并且然后盡可能快速地加速轉子。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子的最小轉速，這在部件保護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速。

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

11、如進一步在下文所述的那樣，第一轉速梯度值和第二轉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。

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之前或者直接在啟動至少一個第一壓縮機之后，關閉渦輪機旁路。因此，實現(xiàn)轉子的盡可能大的加速，因為整個空氣質量流被引導通過渦輪機并且渦輪機的入口壓力被增加。

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之前或者直接在啟動至少一個第一壓縮機之后，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)壓縮的進氣導引到在渦輪機的上游的排氣路徑中。由此可以防止由穿流燃料電池堆導致的壓力損失，并且最大可能的壓力施加在渦輪機上。附加地，可以打開可能的、現(xiàn)有的節(jié)流閥，以便抵抗進一步的壓力減小。

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備關閉時，啟動壓縮機組件。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，第二轉速梯度值是可變的，并且在環(huán)境溫度降低或者壓縮機組件內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，這樣選擇第二轉速，使得在轉子被卡阻的情況下阻止至少一個第一壓縮機的泵送。因此，第二轉速不應是過高的，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，第二轉速也不應是過低的，以便能夠實現(xiàn)被卡阻的轉子的松脫。所述檢查的步驟不能在至少一個第一壓縮機的轉速過小的情況下進行，例如小于空轉轉速或者在空轉轉速周圍，因為例如壓力傳感器安裝在渦輪機的前方/后方或在第二壓縮機的前方/后方并且需要對關于渦輪機的和/或關于第二壓縮機的確定的壓力水平或壓力比例或壓差進行分析處理，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，以多個轉速級將至少一個第一壓縮機加速到第二轉速，所述多個轉速級分別被保持預確定的時間區(qū)間，其中，在所述時間區(qū)間期間進行所述檢查。通過暫時固定的運行點，尤其是對渦輪機和/或第二壓縮機上的壓力降的測量可以是更準確的。

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

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、壓縮機組件和控制單元，該壓縮機組件具有能夠電運行的至少一個第一壓縮機和布置在下游的第二壓縮機，所述第二壓縮機經(jīng)由轉子與布置在燃料電池系統(tǒng)的陰極路徑中的渦輪機耦合，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)構造為用于，借助控制單元實施用于啟動壓縮機組件的方法，所述方法包括下述步驟：啟動至少一個第一壓縮機并且將至少一個第一壓縮機加速到第一轉速，該第一轉速相應于該至少一個第一壓縮機的至少一個空轉轉速，從第一轉速梯度值和第二轉速梯度值中選擇第一轉速梯度，其中，第一轉速梯度值大于第二轉速梯度值，將至少一個第一壓縮機以第一轉速梯度從第一轉速加速到第二轉速，在加速到第二轉速期間，檢查轉子是否自由轉動或者轉子是否被卡阻，如果轉子自由轉動，則借助第二轉速梯度將至少一個第一壓縮機加速到最大啟動轉速，或者維持第二轉速，重復地檢查旋轉，并且如果轉子自由轉動，則將至少一個第一壓縮機加速到最大啟動轉速，其中，如果渦輪機的轉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)和運行參數(shù)中選擇第一轉速梯度值，并且其中，如果渦輪機的轉子被卡阻的概率更大，則選擇第二轉速梯度值。

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

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，控制單元構造為用于，在啟動至少一個第一壓縮機之前或者直接在啟動至少一個第一壓縮機之后，打開燃料電池旁路。

22、改進本發(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)附圖更詳細地示出。