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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein brennstoffzellenbasiertes Antriebssystem
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zu dessen
Betrieb nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
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Stand der Technik
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Es
ist bekannt, Antriebssysteme basierend auf der Brennstoffzellentechnologie
zu betreiben, insbesondere auch zum Antrieb von Kraftfahrzeugen.
Bei diesen Brennstoffzellen handelt es sich in der Regel um mehrere,
stapelförmig
zusammengeschaltete, einzelne Brennstoffzellen zur Erzeugung einer
ausreichend hohen, elektrischen Spannung für die Versorgung der entsprechenden
Komponenten des Antriebssystems. Für den Betrieb solcher einen Brennstoffzellenstapel
umfassenden Brennstoffzelleneinheiten ist eine entsprechende "Brennstoffzellen-Peripherie" zur Kontrolle der
darin ablaufenden, zum Teil sehr komplexen technischen Vorgänge erforderlich.
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Insbesondere
bei mobilen Antriebssystemen mit einem entsprechenden Brennstoffzellen-Antrieb sind
z. B. zwei verschiedene Spannungsniveaus im betreffenden Bordnetz
ausgebildet. Es handelt sich hierbei um ein 12 V bis 14 V-Spannungsnetz als
Niederspannungs-Komponenten-Versorgungsnetzbereich
und einen Netzbereich mit bis zu mehreren hundert Volt auf der Brennstoffzellen-Stapelseite.
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Vorzugsweise
sind beide Bordnetz-Spannungsbereiche über entsprechende Komponenten sowohl
energietechnisch als auch signaltechnisch miteinander gekoppelt.
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Zur
Verbesserung des Wirkungsgrades des Gesamtantriebssystems kann im
Weiteren auch die Rückspeisung
von im bewegten Antriebssystem vorhandener Energie in elektrische
Speicher vorgesehen sein, wie z. B. im Schubbetrieb oder im Bremsbetrieb
eines damit betriebenen Mobils.
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Zur
Sicherstellung eines einwandfreien Betriebs eines derartigen, brennstoffzellenbasierten
Antriebssystems sind sowohl hardwareseitige als auch softwareseitige
Sicherheitsmaßnahmen
bekannt.
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Aufgabe und Vorteile der vorliegenden
Erfindung
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Antriebssystem
der einleitend dargestellten Art zu verbessern. Die Lösung erfolgt
ausgehend von den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 10 durch deren kennzeichnende
Merkmale. Durch die Unteransprüche
werden zweckmäßige und
vorteilhafte Weiterbildungen angegeben.
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Dementsprechend
betrifft die vorliegende Erfindung ein brennstoffzellenbasiertes
Antriebssystem, insbesondere für
ein Fahrzeug, umfassend wenigstens einen Brennstoffzellenstapel,
eine elektrische Maschine (Motor und/oder Generator), Peripheriekomponenten
und ein elektrisches Bordnetz. Dieses Brennstoffzellenantriebssystem
zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch
aus, dass eine zur Bewertung/Kategorisierung von im Antriebssystem
erkannten Fehlfunktionen ausgebildete Kontrolleinheit vorgesehen
ist.
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Mit
einer solchen Kontrolleinheit ist in vorteilhafter Weise eine fehlergewichtete,
gestufte Abschaltung von Systemkomponenten des Antriebssystems möglich. Es
ist somit nicht mehr, wie bisher bekannt, ein sofortiges Abschalten
des gesamten Antriebssystems aufgrund des Ausfalls einer oder mehrerer,
gegebenenfalls durchaus auch wichtiger Systemkomponenten zwingend
erforderlich. Je nach Fehler können
durch einen derartigen Aufbau eines Antriebssystems auch nur Teile
des gesamten Antriebssystems abgeschaltet werden, bzw. durch von
der Kontrolleinheit entsprechend einzuleitende Maßnahmen zumindest
vorübergehend
ersetzt werden, gegebenenfalls unter Einbindung anderer Systemkomponenten.
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Denkbar
wäre hierzu
beispielsweise ein Notlaufbetrieb des Antriebssystems, gegebenenfalls
abhängig
vom jeweiligen Fehler prioritätsgestuft
bewertet, um das System entsprechend der Schwere des aufgetretenen
Fehlers zumindest noch in einem gesicherten Zustand ordnungsgemäß herunterfahren
zu können.
Oder, bei einem nicht so gravierenden Fehler, gegebenenfalls eine
Aufrechterhaltung des Betriebs bis zum betriebsmäßig vorgesehenen Ende der betreffenden
Betriebslaufzeit. Es kann also bei voller Systemsicherheit noch
eine Mindestverfügbarkeit
des Antriebssystems gewährleistet
werden.
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Als
ein Beispiel von verschiedenen Degradierungsstufen für das brennstoffzellenbasierte
Antriebssystem ist es vorstellbar, dass die Kontrolleinheit zur
Ermittlung eines ersatzweisen, theoretischen Wertes bei bekanntem
Fehler und/oder Ausfall eines Signalgebers ausgebildet ist. Beispielsweise
könnten bestimmte
Werte, ggf. aus einem matrixförmig
aufgebautem Speicherplatz als Ersatzwerte für bestimmte Betriebszustände vorgehalten
werden, auf die im Fehlerfall zugegriffen werden kann. Daraus könnte je nach
Fehlerfall direkt oder z. B. über
entsprechende Verknüpfungen
Ersatzwerte für
den weiteren Betrieb des Antriebssystem zu dessen Notlaufbetrieb
zur Verfügung
gestellt werden.
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Als
Signalwerte und/oder zugehörige
Parameter für
den jeweiligen Betriebszustand und/oder Betriebsmodus des Antriebssystems
können
z. B. Spannungswerte, Stromwerte, Temperaturwerte, Fluiddrücke, Feuchtigkeitsgehalt
und dergleichen mehr in verschiedenen Verknüpfungen zueinander abgespeichert
werden. Im Weiteren ist hierzu auch die Abspeicherung entsprechender
Mittelwerte, minimal- und/oder maximal zulässiger oder anderer für den Betrieb
des Antriebssystems vorteilhafter Werte möglich, auf die dann je nach
Fehlerfall entsprechend zugegriffen werden kann.
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Als
insbesondere vorteilhaft wird es angesehen, wenn die Kontrolleinheit
zur Bildung eines Parametermodells zur Ermittlung eines als fehlerhaft
erkannten und/oder nicht betriebsmäßig verfügbaren Signalwertes ausgebildet
ist. D. h. die Kontrolleinheit ist so ausgebildet, dass sie nicht
erst bei Totalausfall eines Signalwertes und/oder Energiestrangs
regulierend zur Stabilisierung des Antriebssystems angreift, sondern
in einer besonders bevorzugten Ausführungsform z. B. in bestimmten
Zeitabständen
immer wieder regelmäßig oder
auch unregelmäßig oder aber
auch permanent zumindest bestimmte Signalwerte und/oder Energieflüsse daraufhin überprüft, ob sie
für den
aktuellen Betriebszustand und/oder Betriebsmodus sich in einem als
fehlerfrei angesehenen Bereich befinden, und andernfalls entsprechende Gegenmaßnahmen
einleiten.
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Ein
von der Kontrolleinheit ermittelter, theoretischer Signalwert kann
sowohl ein Ersatzsignalwert für
einen bei störungsfreiem
Betrieb von einem Sensor gelieferter Wert sein, er kann aber auch
ein Ersatzwert für
einen von einer Teileinheit der Kontrolleinheit selbst gelieferten
Wert sein, oder für
einen von einer weiteren, ggf. externen Kontrolleinheit gelieferten
Wert oder dergleichen.
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Bei
erkannten Problemen in der Energieversorgung kann die Kontrolleinheit
zur teilweisen oder vollständigen
Umschaltung der Energieversorgung einer Komponente des Antriebssystems
von einer als fehlerhaft erkannten Energiequelle auf eine als nicht oder
gegebenenfalls als geringer fehlerbehaftet erkannten Energiequelle
vorgesehen sein. Denkbar ist aber durchaus auch eine Unterstützung der
als fehlerhaft erkannten Energiequelle durch Zuschalten einer entsprechend
geeigneten weiteren Energiequelle, sofern dies entsprechend des
erkannten Fehlers möglich
ist.
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Als
Fehlererkennung könnte
beispielsweise ein zu geringer aber auch ein zu hoher Stromfluss
für einen
aktuellen Lastzustand eines Verbrauchers erkannt werden, oder auch
eine zu hohe oder zu niedrige Spannung, die auf ein Problem an der
betreffenden Betriebskomponente schließen lassen.
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Beim
Brennstoffzellensystem kann dies beispielsweise neben nicht betriebsgemäßer Versorgung
mit Betriebsmitteln, wie Brennstoff, Oxidationsmittel und/oder Kühlmittel
auch ein alterungsbedingter oder verschleißbedingter unzulässiger Betriebszustand
sein. Beispielhaft sei hier ein Abfall in der Betriebsspannung aufgezeigt.
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Im
batterieseitigen bzw. akkuseitigem Energiefluss können Fehler
beispielsweise ebenfalls durch Verschleiß oder Abfall in der Speicherleistung entstehen,
die durchaus auch schleichend auftreten können, durch entsprechende Abfrageroutinen über die
Kontrolleinheit aber feststellbar sind.
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Für den Fall,
dass für
die Starterbatterie des Antriebssystems eine dementsprechend schwache Speicherkapazität festgestellt
wird, dass ein Wiederstarten des Antriebssystems nicht mehr zuverlässig gewährleistet
werden kann, kann die Kontrolleinheit in einer besonders bevorzugten
Ausführungsform
so ausgebildet sein, dass sie zur aktiven Inbetriebhaltung zumindest
für einen
Energiestrang ausgebildet ist, insbesondere für den, mit welchem eine Starteinheit
für das
Wiederstarten des Antriebssystems zugeordnet ist, z. B. ein Anlasser.
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D.
h., wenn die Kontrolleinheit zur aktiven Inbetriebhaltung für eine Energiequelle
bei Erkennung eines Fehlers an einer anderen Energiequelle und/oder
einem zugehörigen
Kontroll- und/oder
Peripherieelement geeignet ausgebildet ist, können entsprechende Schutzmaßnahmen
zur Aufrechterhaltung eines sicheren Betriebszustandes des Antriebssystems
von der Kontrolleinheit bereits während des Betriebs des Antriebssystems
eingeleitet werden.
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In
weiter vorteilhafter Weise kann die Kontrolleinheit zur Ausgabe
einer entsprechend eines erkannten Fehlers gewichteten Warnung vorgesehen sein,
so dass der Betreiber des Antriebssystems über die Schwere des aufgetretenen
Fehlers informiert werden kann. Zusätzlich kann er ggf. damit auch über die
abgeschätzte,
noch verbleibende Betriebszeit informiert werden, ggf. mit zusätzlicher
Unterbreitung eines Vorschlags für
einen oder mehrere mögliche Betriebsmodi.
Denkbar sind z. B.: keine Einschränkung der Systemverfügbarkeit,
Fehlerbehebung beim nächsten
Service; teilweise eingeschränkte Systemverfügbarkeit,
Ziel des Mobils voraussichtlich erreichbar, Fehler muss aber umgehend
behoben werden; stärker
eingeschränkte
Systemverfügbarkeit,
Erreichung des Ziels nicht mehr gewährleistet, Fehler ist zwingend
zu beheben; oder auch massiver Systemfehler, Notfahrbetrieb!, System
umgehend abstellen.
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Für die allermeisten
Betriebsfälle
ist somit zumindest in eingeschränkter
Weise ein weitere Betrieb des Antriebssystems, insbesondere eines
damit betriebenen Mobils möglich,
im günstigsten
Fall sogar ohne irgendwelche Einschränkungen des Fahrbetriebs. Bei
etwas größeren Problemen
ist wenigstens noch die Erreichbarkeit einer Service- oder Reparaturstelle
gegeben, zumindest jedoch ein Herauslösen aus dem aktiven Verkehrsgeschehen
durch Umschalten auf und/oder Beischalten von noch verfügbaren Systemkomponenten,
z. B. in der bereits oben dargelegten Art und Weise.
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Im
Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zum
Betrieb eines brennstoffzellenbasierten Antriebssystems, umfassend wenigstens
einen Stapel, eine elektrische Maschine, Peripheriekomponenten und
ein elektrisches Bordnetz. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus,
dass eine Bewertung/Kategorisierung von im Antriebssystem erkannten
Fehlfunktionen durch eine Kontrolleinheit vorgenommen wird. Die
Bewertung/Kategorisierung erfolgt vorzugsweise in der oben beschriebenen Art
und Weise.
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Ausführungsbeispiel
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Die
Erfindung wird anhand der Zeichnung und der nachfolgenden darauf
Bezug nehmenden Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigt die einzige Figur ein brennstoffzellenbasiertes Antriebssystem.
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Im
Detail umfasst dieses brennstoffzellenbasierte Antriebssystem 1 einen
Brennstoffzellenstapel 2, eine elektrische Maschine 3 (Motor
und/oder Generator), Peripheriekomponenten 4 und ein elektrisches
Bordnetz 5. Zur Kontrolle der einzelnen Systemkomponenten
ist im Weiteren eine Kontrolleinheit 6 vorgesehen, die
zur Bewertung/Kategorisierung von im Antriebssystem erkannten Fehlfunktionen ausgebildet
ist. Durch eine solche Kontrolleinheit ist eine fehlergewichtete,
gestufte Abschaltung einzelner oder auch mehrerer Systemkomponenten
des Antriebssystems möglich.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
kann die Kontrolleinheit 6 auch mehrere Teilkontrolleinheiten
umfassen. Z. B. eine Brennstoffzellen-Kontrolleinheit 7,
eine Elektro-Energiekontrolleinheit 8,
eine Batteriekontrolleinheit 9 und ggf. noch weitere Teilkontrolleinheiten
für einzelne
Systemkomponenten und/oder Systemkomponentengruppen.
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Besonders
vorteilhaft kann die Kontrolleinheit 6 verschiedene Signal-
und/oder Energieflüsse, insbesondere
gestützt
auf entsprechende Signalgeber und/oder Signalaufbereitungseinheiten
auf Plausibilität
hin überprüfen. Bei
Abweichung eines oder mehrerer zur prüfender Werte von einem üblicherweise
zu erwartenden Wert, oder bei Ausfall eines solchen, kann die Kontrolleinheit
beispielsweise ersatzweise einen theoretischen Signalwert ermitteln bzw.
ersatzweise oder auch ergänzend
einen Energiefluss von einer anderen als von der als fehlerhaft erkannten
Energiequelle 2, 14, 16, 21 bereitstellen bzw.
veranlassen. Im günstigsten
Fehlerfall merkt der Betreiber des Antriebssystems gar nichts von
dem aufgetretenen Fehler, z. B. wenn dieser keine direkte Auswirkung
auf den aktuellen Betrieb des Antriebssystems hat. In einem solchen
Fall kann beispielsweise nur ein Eintrag in einen entsprechenden
Datenspeicher 10 vorgesehen sein, der Fehler kann dann
durch Auslesen beim nächsten
Service und eine entsprechende Reparaturmaßnahme behoben werden.
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In
einer nächsten
Stufe der erfindungsgemäß gestuften
Abschaltung des brennstoffzellenbasierten Antriebssystems 1 könne beispielsweise
zusätzlich
die Ausgabe eines Warnhinweises über
einen erkannten Fehler, an den Betreiber des vorzugsweise mobilen
Antriebssystems über
eine Signaleinheit 11 vorgesehen sein.
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In
weiteren Stufen könnte
beispielsweise auch ein Hinweis über
die noch bestehende Systemverfügbarkeit
gegeben werden, vorzugsweise abhängig
von der Schwere des detektierten und von der Kontrolleinheit 6 bewerteten
Fehlers, so dass bei einem nicht zu gravierenden Fehler zumindest
noch ein Erreichen des beabsichtigten Zieles möglich ist. Bei dem gegenüber schwereren
Fehler könnte
ggf. noch das Erreichen einer Reparaturwerkstätte möglich sein, und z. B. beim
Ausfall einer systemtragenden Komponente zumindest noch ein zuverlässiges und
gefahrloses Außerverkehrbringen
des mit dem Antriebssystems betriebenen Mobils.
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Zur
Ablage verschiedener Parameter, insbesondere zur Ausbildung eines
Parametermodells ist eine Speichereinheit 12 vorgesehen,
auf die die Kontrolleinheit 6 und/oder eine der weiteren
Teilkontrolleinheiten bei Bedarf zugreifen und gegebenenfalls darauf
weitere Daten abspeichern kann/können.
Insbesondere können
hierzu auch Daten abgelegt werden, die die Kontrolleinheit gegebenenfalls
zur teilweisen oder vollständigen
Umschaltung der Energieversorgung einer Komponente des Antriebssystems von
einer als fehlerhaft erkannten Energiequelle auf eine als nicht
oder gegebenenfalls als geringer fehlerbehaftet erkannten Energiequelle
benötigen
könnte.
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Beispielsweise
ist es denkbar, dass eine Programmroutine abgelegt ist, auf die
die Kontrolleinheit zugreift, um z. B. aktiv die weitere in Betriebhaltung einer
Energiequelle zu veranlassen. Dies könnte beispielsweise dann der
Fall sein, wenn die Kontrolleinheit ein Problem bei der Starterbatterie
oder einer ihr zugehörigen
Peripherieeinheit ermittelt hat, welche so groß ist, dass ein zuverlässiges Wiederstarten
des Antriebssystems nicht mehr gewährleistet werden kann. Der
Betreiber des Antriebssystems kann dann, informiert durch einen
entsprechenden Warnhinweis über
die Signaleinheit 11, zum Aufsuchen einer Reparaturwerkstätte oder
einer anderen geeigneten Maßnahme
aufgefordert werden, gegebenenfalls mit einem zusätzlichen
Hinweis über
die verbleibende Mobilitätsdauer.
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Im
Weiteren werden hier beispielhaft noch weitere Systemkomponenten
beschrieben, die über das
Bordnetz in entsprechender Weise miteinander verbunden und durch
die Kontrolleinheit kontrolliert werden. Zur Verbindung zweier im
Bordnetz nebeneinander existierender Spannungsebenen (12 V bis 14 V
für den
Niederspannungsbereich und bis zu mehrere hundert Volt für den brennstoffzellenstapelseitigen
Spannungsbereich) kann ein DC/DC-Wandler 13 vorgesehen
sein, der in besonders bevorzugter Weise in beide Richtungen einen
Energiefluss unterstützt.
Dadurch kann z. B. bei Bedarf im Betrieb des Brennstoffzellenstapels
dieser zum einen die Starterbatterie wieder laden und zum anderen
gegebenenfalls weitere Verbraucher 15 mit Energie versorgen. Auch
eine gegebenenfalls erforderliche Unterstützung der Starterbatterie 14 durch
einen ebenfalls im Bordnetz 5 vorhandenen Traktionsspeicher 16 ist
damit realisierbar. Der Traktionsspeicher 16 ist zur Zwischenspeicherung
bzw. zur Bereitstellung zusätzlicher
Energie bei entsprechendem Spitzenbedarf, der durch das Brennstoffzellensystem
zumindest vorübergehend
nicht abgedeckt werden kann, vorgesehen.
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Zur
Wandlung zwischen einem gegebenenfalls weiteren im Bordnetz vorgesehenen
Spannungsbereich, für
den Anschluss der Elektromaschine zum Antrieb des mobilen Systems,
und dem brennstoffzellenseitigen Hochspannungsbereich ist ein Umrichter 17 vorgesehen,
der wiederum insbesondere vorteilhaft ebenfalls in beide Richtungen
einen Energiefluss unterstützt.
Dadurch kann der als Antrieb dienende Elektromotor im Schubbetrieb
bzw. im Bremsbetrieb in Generatorfunktion aus dem Antriebsstrang 21 wieder
elektrische Energie in das Netz zurück einspeisen, so dass diese
im Traktionsspeicher 16 zwischengespeichert werden kann. Über dem
Traktionsspeicher 16 zugeordnete Peripheriekomponenten 4 kann
die Kontrolleinheit 6 die jeweiligen Signal- und Energieflüsse auf
Plausibilität
hin überprüfen und/oder
gegebenenfalls Eingriffsmaßnahmen
einleiten. Als beispielhafte Komponenten sind hierzu ein Amperemeter,
ein Voltmeter und Schaltkontakte eingezeichnet. Durch die Schaltkontakte
ist beispielsweise eine Trennung des Traktionsspeichers 16 im
Bedarfsfall vom übrigen
Bordnetz möglich.
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Je
nach Ausführungsform
des mobilen Antriebssystems kann dieses im Weiteren auch noch einen
DC/AC-Wandler 18 aufweisen um z. B. einen Wechselspannungsabgriff 19 für externe
Verbraucher zur Verfügung
zu stellen, z. B. einen 220 V-Anschluss
oder einen 110 V-Anschluss.
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Aber
auch ein weiterer DC/DC-Wandler 20 zwischen dem Traktionsspeicher 16 und
dem Bordnetz 5 könnte
für eine
Anpassung zwischen unterschiedlichen Spannungsbereichen im Brennstoffzellenstapelbereich
und an den Kontakten des Traktionsspeichers vorgesehen sein.
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Die
Peripheriekomponenten 4 des Brennstoffzellenstapels 2 können ähnlich wie
die Peripheriekomponenten 4 des Traktionsspeichers 16 ein
Amperemeter, ein Voltmeter und Schaltkontakte zur Herstellung bzw.
Unterbrechung der Anbindung an das Bordnetz 5 neben weiteren, üblicherweise
für den Betrieb
eines Brennstoffzellenstapels erforderlichen Komponenten umfassen.
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Nachfolgend
werden verschiedene Reaktionsmöglichkeiten
der Kontrolleinheit 6 auf festgestellte Fehler bzw. Fehlermeldungen
als beispielhafte, fehlergewichtet gestufte Abschaltung von Systemkomponenten
des Antriebssystems aufgeführt.
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Bei
als eher geringfügig
eingestuften Fehlern durch Ausfall nicht zwingend für den Betrieb
des den Brennstoffzellenstapel 2 umfassenden Brennstoffzellensystems
erforderlicher Komponenten wie z. B. Umgebungsdrucksensor, Leitfähigkeitssensoren, Heizlüfter oder
elektrischer Klimakompressor könnten
in einer ersten Stufe einer gestuften Fehlerreaktion z. B. nur Einträge in den
Speicher 10 vorgesehen sein. Die Auswirkungen solcher Fehler
könnten
beispielsweise in der Form von Leistungsverlusten elektrischer Verbraucher
auftreten, von denen der Fahrer des mobilen Antriebssystems nicht
unbedingt etwas merken muss.
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Eine
weitere Fehlermöglichkeit
wäre beispielsweise
eine nicht mehr ordnungsgemäße Versorgung
externer Komfortverbraucher im Hochspannungsnetz, z. B. aufgrund
nicht mehr zur Verfügung stehender
220 V bzw. 110 V Ausgangsspannung. Mögliche Ursachen könnten hierfür beispielsweise ein
Defekt an der Leistungselektronik oder einem an dem externen Spannungsabgriff
angeschlossenen Verbraucher selbst sein. Auch in diesem Fall würde gegebenenfalls
ein Diagnoseeintrag genügen,
der in einem späteren
Serviceintervall auf den Fehler hinweist.
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Etwas
schwerwiegendere Fehler wären
z. B. der Ausfall von Komponenten der elektrischen Energiekontrolleinheit 8,
wie z. B. Sensoren, Leistungselektronik (Umrichter), oder dass sich
die Elektromaschine (Motor/Generator) in einem Strom- bzw. Temperaturgrenzbereich
befindet, bei dem aber noch eine reduzierte Leistung möglich ist,
oder ein Defekt an einem Stromsensor oder einem Spannungssensor
des Brennstoffzellenstapels 2, oder des Transaktionsspeichers 16,
oder dergleichen mehr. Die Auswirkungen wären z. B. ohne entsprechende
Maßnahme
ein Leistungsverlust des elektrischen Antriebs, thermische Zerstörung von
Komponenten oder dergleichen. Diese Auswirkungen können jedoch
mit aktiver Gegenmaßnahme
durch die Kontrolleinheit beispielsweise auf eine reduzierte Antriebsleistung, aber
noch volle Fahrdynamik für
das Antriebssystem jedoch mit Hinweis über einen Fehler im System über die
Signaleinheit 11 reduziert werden. Eingriffsmöglichkeiten
wären hierzu
beispielsweise die Ermittlung theoretischer Werte durch eine entsprechende
Modellbildung, gegebenenfalls unter Verwendung entsprechend abgespeicherter
Parameter.
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Auch
der Ausfall von Komponenten der Brennstoffzellen-Kontrolleinheit 7 kann ähnliche
Folgen haben, die ebenfalls mittels Modellbildung zumindest vorübergehend
einen wenigstens eingeschränkten
weiteren Fahrbetrieb des Antriebssystems ermöglichen. Mögliche Fehler wären beispielsweise
wiederum der Ausfall von Sensoren im Bereich der Elektrik, im Bereich
der Temperatur, der Drücke, im
Feuchtebereich, Sensoren für
Masseströme
und dergleichen. Auch fehlerhafte Lüfter sind möglich, wodurch gegebenenfalls
eine unzureichende Befeuchtung der Brennstoffzellenstapel erfolgen
könnte,
oder eine verminderte Brennstoff- und/oder Luftzuführung, eine
nicht betriebsgemäße Kühlmittelversorgung,
die Probleme im Temperaturbereich bewirken würde, oder auch ein Kühlmittelverlust.
Auch das Fehlen des Tankfüllstandes
könnte
eine Fehlerquelle sein, die z. B. durch Schätzung ersatzweise ermittelt werden
könnte.
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Ohne
entsprechende Maßnahmen
könnte dann
z. B. eine Stromquelle nicht mehr ausreichend Energie liefern, ein
unkontrollierter Leistungsverlust aller elektrischen Verbraucher,
auch des Antriebs, wäre
spätestens
nach einigen Minuten zu befürchten.
Denkbar wäre
auch eine thermische Zerstörung von
einzelnen oder auch mehreren Komponenten bis hin zum Totalausfall
des gesamten Antriebssystems.
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Bei
Einleitung aktiver Maßnahmen
kann demgegenüber
aber weiterhin bei reduzierter Antriebsleistung das Antriebssystem
weiterhin zum Antrieb des mobilen Gerätes zur Verfügung stehen,
jedoch wiederum mit entsprechender Warnung an den Fahrer z. B. über die
Signaleinheit 11.
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Eine
weitere, fehlergewichtet abgestufte Abschaltung von Systemkomponenten
des Antriebssystems könnte
sich auf alle Fehler der elektrischen Energiekontrolleinheit beziehen,
die zwar keine direkte Auswirkung auf den elektrischen Fahrbetrieb
haben, jedoch das Niederspannungsbordnetz (12 Volt-Netz) aufgrund
eines Schadens am diesbezüglichen
Akku (Starterbatterie) zunehmend einschränken.
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Während des
Betriebs des Antriebssystems würde
sich ein solcher Ausfall in der Regel nicht auswirken, da die Energieversorgung
z. B. über
das Brennstoffzellensystem sowie entsprechend weitere, zwischengeschaltete
Komponenten zur Energieübertragung
sichergestellt werden kann. Nach Abstellen des Antriebssystems ist
aber damit zu rechnen, dass dieses aufgrund des Defekts an der Starterbatterie nicht
mehr wiedergestartet werden kann. Um dies zu vermeiden, kann mit
einer aktiv von der Kontrolleinheit durchgeführten Maßnahme neben einem Hinweis über den
Defekt an dem Betreiber mittels der Signaleinheit 11 der übliche Abschaltvorgang
für das System
blockiert bzw. außer
Betrieb gesetzt werden, so dass dieses z. B. nicht aus versehen
stillgelegt wird. Um dennoch ein Stilllegen des Systems zu ermöglichen
könnte
beispielsweise für
den Reparaturfall eine bestätigungsbedürftige Abfrageroutine
gestartet werden.
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Denkbar
wären hier
die Abfragen: "Soll
das Systems tatsächlich
stillgelegt werden? Ja oder Nein".
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Eine
weitere Ursache für
einen, gegebenenfalls schleichenden Ausfall der Niederspannungs-Bordnetzversorgung
könnte
z. B. darin liegen, dass der Startakku bzw. die Starterbatterie,
die in der Regel als 12 V-Batterie ausgelegt ist, aus unterschiedlichsten
Gründen
nicht mehr geladen werden kann. Ein beispielhafter Fehler wäre, dass
der 14 V-DC/DC-Wandler defekt ist. Ohne entsprechende Maßnahmen
würde die
Batterie entleert werden und die durch sie versorgten Verbraucher
könnten
unkontrolliert ausfallen, so dass sich gegebenenfalls eine gefährliche
Betriebssituation für
das durch das Antriebssystems betriebene Mobil einstellen könnte. Durch
eine aktiv durch die Kontrolleinheit eingeleitete Maßnahme kann
aber z. B. in einem ersten Schritt der Betreiber auf den Defekt
hingewiesen werden. Durch Anzeigen einer gegebenenfalls abzuschätzenden
restlichen Betriebsdauer in einem sicheren Betriebsmodus könnte dem
Fahrer eine entsprechende Reaktionszeit bis zum Abstellen des Systems
zur Verfügung
gestellt werden, was z. B. durch sofortiges Fahren an den Fahrbahnrand,
durch weiterfahren bis zu einer nächsten Parkmöglichkeit
oder gegebenenfalls bis zum Erreichen einer Service- bzw. Reparaturstätte möglich wäre. Unterstützend könnte hierzu ein
Abschalten bestimmter, für
den Betrieb nicht zwingend notwendiger Verbraucher vorgeschlagen bzw.
auch aktiv durch die Kontrolleinheit selbst vorgenommen werden.
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Eine
weitere Fehlerquelle im Elektroenergie-Kontrollsystem könnte ein
Defekt am Traktionsspeicher 16 oder an einer ihm zugeordneten
peripheren Komponente 4 sein. Mögliche Fehler wären beispielsweise,
dass der Transaktionsakku 16 selbst defekt ist, dahingehend,
dass keine Leistungsaufnahme und/oder -abgabe möglich ist, dass ein Problem
im Kontaktbereich des Akkuanschlusses an das Bordnetz vorliegt (z.
B. könnte
ein Relais oder Schütz nicht
richtig schließen),
dass Sicherungen defekt sind, dass der Hochspannungs-DC/DC-Wandler
defekt ist, oder dass ein Schaden an der Batteriekontrolleinheit
dem sogenannten Batteriemanagementsystem aufgetreten ist. Ohne entsprechende
Maßnahmen
wäre zumindest
ein Dynamikverlust für
das Antriebssystem bemerkbar, gegebenenfalls auch kein Wiederstart
des Systems. Als Eingriffsmöglichkeit
durch die Kontrolleinheit auf der Basis einer Bewertung bzw. Kategorisierung
des Fehlers kann wiederum zuerst beispielsweise eine Signalisierung
an den Betreiber des Systems erfolgen, vorzugsweise kombiniert mit
einer Beschränkung
der möglichen Leistungsabfrage,
um noch vorhandene Energiereserven möglichst effektiv nutzen zu
können.
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Eine
weitere Fehlerquelle kann im Ausfall von Komponenten des Brennstoffzellensystems
ursächlich
sein. Auch hierzu sind unterschiedlich schwerwiegende Fehler zu
kategorisieren bzw. zu bewerten. In einer ersten Gruppe könnten beispielsweise
Fehler eingestuft werden, die noch einen eingeschränkten Betrieb
des Brennstoffzellenstapels ermöglichen.
Eine nächste
Stufe könnte
dahingehend bewertet werden, dass zwar kein Betrieb des Brennstoffzellenstapels
mehr möglich
ist, dass aber zumindest noch ein einigermaßen kontrolliertes Herunterfahren
des Brennstoffzellensystems möglich
ist.
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Für beide
Kategorien könnten
Gefahrenquellen dahingehend definiert werden, dass eine Brandgefahr
durch Austritt von Brennstoff an einer Brennstoffzellenkomponente
des gesamten Brennstoffzellensystems möglich ist. Auch das Feststellen
einer zu hohen Brennstoffkonzentration in der Umgebungsluft, oder
eine unplausible Brennstoff-Massenstrombilanz oder eine Abweichung
im Soll-Ist-Druck, insbesondere an der Anodenseite der Brennstoffzellen könnte eine
Ursache für
eine anzuzeigende Brandgefahr oder eine andere anzuzeigende Gefahr
sein. Weitere Fehlerursachen könnten
beispielsweise ein Defekt am Brennstoffüberwachungssensor sein, ein Defekt
an den Signalleitungen, z. B. in der Form eines Signalbusses, ein
Defekt an der Kühlmittelpumpe,
ein abnormales U-I-Verhalten, oder auch ein Ausfall eines Sensors
am Tank, z. B. des Drucksensors.
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Ohne
entsprechende Gegenmaßnahmen würde ein
unkontrollierter Leistungsverlust der Stromquelle in der Form des Brennstoffzellenstapels die
Folge sein. Alle elektrischen Verbraucher des Antriebssystems würden innerhalb
kürzester
Zeit, gegebenenfalls nach vorübergehender,
fehlerhafter Reaktion, ausfallen. Durch eine von der Kontrolleinheit
aktiv eingeleitete Reaktionsmaßnahme
kann aber ein gesichertes Herunterfahren des gesamten Systems gewährleistet
werden, und zwar abhängig
von der jeweiligen Fehlerkategorie bzw. Fehlerbewertung entsprechend
obiger Darlegung.
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Eine
nächste
Stufe in der fehlergewichteten Abschaltung der Systemkomponenten
wäre der
Totalausfall des Brennstoffzellensystems. Ursächlich hierfür könnte z.
B. starker Brennstoffaustritt sein oder eine Leitungsunterbrechung
zum Brennstoffzellenstapel im Hochspannungsbereich des Bordnetzes.
Ohne aktive Maßnahmen
wäre wiederum
ein unkontrollierter Leistungsverlust und damit verbunden ein unkontrollierter
Ausfall der am Bordnetz hängenden
Verbraucher der Fall. Durch aktives Eingreifen der Kontrolleinheit
kann aber wiederum zumindest eine Warnung an den Betreiber erfolgen,
einhergehend mit einer aktiven Reduzierung der Antriebsleistung
um die noch verfügbare
Energie für
ein Herabfahren des Systems im gesicherten Zustand zu ermöglichen.
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Weitere
mögliche
Fehlerquellen wären
ein Defekt am Antrieb, ein Defekt im Hochspannungsbereich des Bordnetzes.
Auch in diesen Fällen
kann durch aktives Eingreifen der Kontrolleinheit gegenüber einem
unkontrollierten Betrieb in vorteilhafter Weise zumindest ein sicheres
Herunterfahren des gesamten Antriebssystems gewährleistet werden.