DE102007046060A1

DE102007046060A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung des Hoch-Frequenzwiderstands von Brennstoffzellen in Gegenwart von unerwünschten Gross-Signalen

Info

Publication number: DE102007046060A1
Application number: DE102007046060A
Authority: DE
Inventors: David Rea; Kenneth L. Kaye; Robert S. Foley; Michael F. Zawisa; Clark G. Hochgraf
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-09-29
Filing date: 2007-09-26
Publication date: 2008-05-29
Anticipated expiration: 2027-09-27
Also published as: JP4956348B2; CN101226216B; US7421356B2; US20080091367A1; DE102007046060B4; CN101226216A; JP2008135372A

Abstract

Verfahren und Vorrichtung für ein Hochfrequenzwiderstandsmessinstrument mit einem vertretbaren Dynamikbereich, das in der Lage ist, mehrere Wechselströme unterschiedlicher Frequenzen zu unterstützen, um trotz einer Sättigung der Signalkette in Gegenwart eines unerwünschten Großsignals eine Messfähigkeit aufrechtzuerhalten.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von Betriebsparametern innerhalb eines Brennstoffzellensystems. Im Spezielleren betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung des Hochfrequenzwiderstands von Brennstoffzellen.
HINTERGRUND-ZUSAMMENFASSUNG
Der Hochfrequenzwiderstand ist eine allgemein bekannte und umfangreich dokumentierte Eigenschaft von Brennstoffzellen. Durch Messen des Hochfrequenzwiderstands einer Brennstoffzelle innerhalb eines spezifischen Bandbereichs von Erregerstromfrequenzen kann der Befeuchtungszustand einer Protonenaustauschmembran gemessen werden. Der Hochfrequenzwiderstand in einer Protonenaustauschmembran der Brennstoffzelle wird typischerweise bei einer einzelnen Frequenz von zwischen 500 Hz und 1500 Hz gemessen.
Bei herkömmlichen Verfahren zur Messung des Hochfrequenzwiderstands wird damit begonnen, dass zuerst ein Wechselstrom mit der betreffenden Frequenz (typischerweise 1000 Hz) durch die Brennstoffzelle bzw. den Stapel hindurch induziert wird. Als nächstes misst das Instrument die tatsächliche Welligkeit des durch die Brennstoffzelle bzw. den Stapel fließenden Stroms, und die über den eingegebenen Wechselstrom an der Zelle oder dem Stapel induzierte Spannungswelligkeit. Diese Signale werden durch das Instrument gefiltert und verstärkt. Das Instrument bestimmt hierauf den Hochfrequenzwiderstand, indem die Größe der Wellenform der Spannungswelligkeit durch die Größe der Wellenform der Stromwelligkeit dividiert wird. Gemäß dem Ohmschen Gesetz ist der resultierende Wert ein Widerstand, der entsprechend der Anzahl der Zellen in dem Stapel oder der aktiven Fläche der Brennstoffzellenmembran noch weiter maßstäblich geändert werden kann, um den Widerstand der Membran je Flächeneinheit zu erhalten.
In verrauschten elektrischen Umgebungen, wie beispielsweise in einem Hochspannungs-Verteilungssystem in einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug können zusätzlich zu dem induzierten Brummstrom und der daraus resultierenden Brummspannung noch andere, große Wechselstromwellen vorhanden sein. Diese unerwünschten Großsignale können stetig mit einer einzelnen Frequenz vorhanden sein oder sie können in Abhängigkeit zu der Fahrzeuggeschwindigkeit, der Maschinenbelastung oder zu anderen Faktoren einen variablen Frequenzgehalt aufweisen.
Das Vorhandensein von solchen unerwünschten Großsignalen kann bei herkömmlichen, einfrequenten Hochfrequenzwiderstandsmessungssystemen Probleme bereiten. Wenn beispielsweise der induzierte Brummstrom annähernd bei 0,3 A liegt und das unerwünschte Großsignal bei 100 A auf derselben Frequenz liegt, muss eine Schaltung mit einem Dynamikbereich von mehr als 70 db realisiert werden, um eine Sättigung der Signalkette zu verhindern.
Es wäre wünschenswert, ein Hochfrequenzwiderstandsmessinstrument mit einem vertretbaren Dynamikbereich zu schaffen, das einer Sättigung in Gegenwart von einem oder mehreren unerwünschten Großsignalen entgegenwirkt. Es wäre weiterhin wünschenswert, ein Hochfrequenzwider standsinstrument zu schaffen, das mit mehreren induzierten AC-Strömen unterschiedlicher Frequenzen verwendet werden kann, um trotz Sättigung der Signalkette in Gegenwart eines unerwünschten Großsignals eine Messfähigkeit aufrechtzuerhalten.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist überraschenderweise ein Hochfrequenzwiderstandsmessinstrument mit einem vernünftigen Dynamikbereich entdeckt worden, das in der Lage ist, mehrere Wechselströme unterschiedlicher Frequenzen zu verwenden, um trotz einer Sättigung der Signalkette in Gegenwart eines unerwünschten Großsignals eine Messfähigkeit aufrechtzuerhalten.
In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren zur Messung eines Hochfrequenzwiderstands bei einem Brennstoffzellensystem die Schritte, dass ein Brennstoffzellenstapel bereitgestellt wird, ein Mikrocontroller bereitgestellt wird, zumindest ein Anregungssignal in den Brennstoffzellenstapel hinein induziert wird, das Vorhandensein unerwünschter Signale in dem Brennstoffzellenstapel mittels des Mikrocontrollers bestimmt wird, und ein Hochfrequenzwiderstand als eine Funktion des Anregungssignals bei Frequenzen mit annehmbaren Pegeln unerwünschter Signale bestimmt wird.
In einer anderen Ausführungsform umfasst das Verfahren zur Messung eines Hochfrequenzwiderstands in einem Brennstoffzellensystem die Schritte, dass ein Brennstoffzellenstapel bereitgestellt wird, ein Mikrocontroller bereitgestellt wird, eine Mehrzahl von Kanälen bereitgestellt wird, wobei die Gesamtanzahl der Kanäle um zumindest eins größer ist als die Gesamtanzahl von erwarteten, unerwünschten Signalen, jeder Kanal auf eine separate, feste Frequenz eingestellt wird, eine Anzahl von Zu ständen bestimmt wird, während eines jeden Zustands zumindest ein Kanal als ein inaktiver Kanal und die verbleibenden Kanäle als aktive Kanäle vorgesehen werden, während eines jeden Zustands zumindest ein Anregungssignal mit den Frequenzen der aktiven Kanäle in den Brennstoffzellenstapel hinein induziert wird, unter Verwendung des Mikrocontrollers ein Ausgangssignal der Kanäle abgetastet wird, die Gültigkeit des Ausgangssignals bewertet wird, ein Hochfrequenzwiderstandswert des Brennstoffzellensystems berechnet wird und der Hochfrequenzwiderstandswert ausgegeben wird.
In einer anderen Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zur Messung des Hochfrequenzwiderstands in einem Brennstoffzellensystem einen Mikrocontroller, zumindest einen mit dem Mikrocontroller elektronisch verbundenen Kanal, und eine mit jedem Kanal elektronisch verbundene Frequenzabstimmungsvorrichtung.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Messung des Brennstoffzellen-Hochfrequenzwiderstands gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 ist ein Ablaufdiagramm, welches ein Verfahren zur Steuerung der Vorrichtung zur Messung des Brennstoffzellen-Hochfrequenzwiderstands aus 1 veranschaulicht;
3 ist ein Graph, der einen Diagrammverlauf des Grundrauschens als Funktion der Frequenz während des Betriebs eines Fahrzeugs zeigt und das Welligkeitsrauschen während des Betriebs des Fahrzeugs veranschaulicht;
4 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zur Steuerung einer Vorrichtung zur Messung des Brennstoffzellen-Hochfrequenzwiderstands gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
5 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Subroutine für das Verfahren zur Steuerung der Vorrichtung zur Messung des Brennstoffzellen-Hochfrequenzwiderstands aus 4 veranschaulicht;
6 ist ein Graph, der einen Diagrammverlauf des Grundrauschens als Funktion der Frequenz während des Betriebs eines Fahrzeugs zeigt und das Welligkeitsrauschen während des Betriebs des Fahrzeugs für eine dritte Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht; und
7 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zur Steuerung einer Vorrichtung zur Messung des Brennstoffzellen-Hochfrequenzwiderstands gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
In der nachfolgenden, detaillierten Beschreibung und in den beigefügten Zeichnungen werden verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben und veranschaulicht. Die Beschreibung und die Zeichnungen sollen es dem Fachmann ermöglichen, die Erfindung zu realisieren und zu verwenden und es soll dadurch der Umfang der Erfindung keineswegs in irgendeiner Art beschränkt werden. In Bezug auf die offenbarten Verfahren haben die vorgestellten Schritte Beispielcharakter und somit ist die Reihenfolge der Schritte nicht notwendig oder von entscheidender Bedeutung.
1 zeigt einen Brennstoffzellenstapel 10 bestehend aus einer Mehrzahl von einzelnen Brennstoffzellen, die durch Reihen- oder Parallelschaltung elektrisch verbunden sind. Der Betrieb verschiedener Arten von Brennstoffzellensystemen ist in der Technik allgemein bekannt; eine Ausführungsform ist in dem in Gemeinschaftsbesitz befindlichen U.S.-Patent Nr. 6,849,352 angegeben, welches hiermit in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme hierin miteingeschlossen ist. Daher wird in der Beschreibung der Betrieb eines Brennstoffzellensystems nur insofern erklärt, als dies im Zusammenhang mit dieser Erfindung relevant ist.
In der hier gezeigten Ausführungsform enthält ein Hochfrequenzwiderstandsmessungssystem eine Gesamtanzahl von (N + 1) Hochfrequenzmesskanälen 55. Dabei steht N für die Anzahl von gemäß den Erwartungen des Entwurfsplaners auftretenden, getrennten, unerwünschten Signalen. In 1 wird angenommen, dass N gleich zwei ist, obwohl es sich versteht, dass mehr oder weniger Signale vorhanden sein können. Jeder Hochfrequenzmesskanal 55 enthält eine separate Stromsignalkette 42 und eine Spannungssignalkette 64. Außerdem kann die Anzahl der bereitgestellten Kanäle anders sein, ohne dass dadurch von dem Umfang der Erfindung abgewichen wird.
Ein AC-Stromsensor 11 umfasst einen Strom-Messwandler 12, der mit dem Brennstoffzellenstapel 10 verbunden ist. Ein Verstärker 16 ist über eine elektrische Verbindung 14 mit dem Strom-Messwandler 12 verbunden. Bei der elektrischen Verbindung kann es sich um ein beliebiges, herkömmliches Mittel zur elektrischen Verbindung wie beispielsweise einen isolierten Draht handeln. Ein Trägersperrfilter 20 ist über eine elektrische Verbindung 18 mit dem Verstärker 16 verbunden.
Der Trägersperrfilter 20 ist in einer gemeinsamen Sättigungsdetektionsschaltung 84 über eine elektrische Verbindung 22 mit einem Spitzenwertdetektor 88 verbunden.
Der Trägersperrfilter 20 ist über die elektrische Verbindung 22 mit dem ersten Integriererfilter 24, einem zweiten Integriererfilter 26 und einem dritten Integriererfilter 28 verbunden. Der erste Integriererfilter 24 ist in einem ersten Hochfrequenzwiderstandsmesskanal 57 über eine elektrische Verbindung 25 mit der ersten integrierenden Schaltung 30 verbunden. Der zweite Integriererfilter 26 ist in einem zweiten Hochfrequenzwiderstandsmesskanal 59 über eine elektrische Verbindung 27 mit einer integrierenden Schaltung 32 verbunden. Der dritte Integriererfilter 28 ist in einem dritten Hochfrequenzwiderstandsmesskanal 53 über eine elektrische Verbindung 29 mit einer integrierenden Schaltung 34 verbunden. Die Integriererfilter 24, 26 und 28 weisen Abstimmfrequenzen auf, die jenen in den Hochfrequenzmesskanälen 53, 59 und 57 entsprechen.
Ein Filter 44 ist in der Stromsignalkette 42 für den ersten Hochfrequenzwiderstandsmesskanal 57 über eine elektrische Verbindung 36 mit der integrierenden Schaltung 30 verbunden. Eine elektrische Verbindung 45 verbindet den Filter 44 mit einer Detektionsschaltung 50. Die integrierende Schaltung 32 ist in der Stromsignalkette 42 für den zweiten Hochfrequenzwiderstandsmesskanal 59 über eine elektrische Verbindung 38 mit einem Filter 46 verbunden. Eine Detektionsschaltung 52 ist über eine elektrische Verbindung 47 mit dem Filter 46 verbunden. Die integrierende Schaltung 34 ist in der Stromsignalkette 42 für den dritten Hochfrequenzwiderstandsmesskanal 53 über eine elektrische Verbindung 40 mit einem Filter 48 verbunden. Eine elektrische Verbindung 49 verbindet den Filter 48 mit einer Detektionsschaltung 54.
Ein Analog-Digital-Wandler 106 ist über eine elektrische Verbindung 94 mit der Detektionsschaltung 50 verbunden. Elektrisch verbunden mit dem Analog-Digital-Wandler 106 ist die Detektionsschaltung 52 über eine elektrische Verbindung 96. Die Detektionsschaltung 54 ist mit dem Analog-Digital-Wandler 106 über eine elektrische Verbindung 98 verbunden. Der Analog-Digital-Wandler 106 ist in einem Mikrocontroller 108 enthalten.
Der Brennstoffzellenstapel 10 ist elektrisch verbunden mit einer Sicherheits-Trennbarriereschaltung 56. Die Sicherheits-Trennbarriereschaltung 56 ist über eine elektrische Verbindung 58 mit einem Trägersperrfilter 60 verbunden. Der Trägersperrfilter 60 ist in einer gemeinsamen Sättigungsdetektionsschaltung 84 über eine elektrische Verbindung 62 mit einem Spitzenwertdetektor 86 verbunden. Die Detektoren 86 und 88 sind jeweils über die elektrische Verbindung 90 bzw. 92 mit dem Wandler 106 verbunden.
Der Trägersperrfilter 60 ist in der Spannungssignalkette 64 für den ersten Hochfrequenzwiderstandsmesskanal 57 mit einem Filter 66 verbunden. Der Trägersperrfilter 60 ist in der Spannungssignalkette 64 für den zweiten Hochfrequenzwiderstandsmesskanal 59 mit einem Filter 68 verbunden. Der Trägersperrfilter 60 ist in der Spannungssignalkette 64 für den dritten Hochfrequenzwiderstandsmesskanal 53 mit einem Filter 70 verbunden.
Eine elektrische Verbindung 72 verbindet den Filter 66 mit einer Detektionsschaltung 78. Der Filter 68 ist über eine elektrische Verbindung 74 mit einer Detektionsschaltung 80 verbunden. Eine elektrische Verbindung 76 verbindet den Filter 70 mit einer Detektionsschaltung 82.
Die Detektionsschaltungen 78, 80 und 82 sind jeweils über die elektrischen Verbindungen 104, 102 bzw. 100 mit dem Analog-Digital-Wandler 106 verbunden.
Beim Betrieb erzeugt der Brennstoffzellenstapel 10 in einer in der Technik allgemein bekannten Weise elektrischen Strom und Spannung. Ein Anregungssignal, das einen Brummstrom enthält und eine Brummspannung verursacht, wird in den Brennstoffzellenstapel 10 hinein induziert. Das Anregungssignal wird unter Verwendung der Endzellenheizelemente (nicht gezeigt) des Brennstoffzellenstapels 10 erzeugt. Die Ausgangsgröße der Endzellenheizelemente wird mittels Pulsweitenmodulation eingestellt. Die Frequenz des Brummstroms wird durch Steuern der Trägerfrequenz der Pulsweitenmodulation verändert. Darüber hinaus können andere Quellen zum Induzieren des Anregungssignals verwendet werden, ohne dass dadurch von dem Umfang der Erfindung abgewichen wird.
Der Wechselstromsensor 11 misst den Wechselstromfluss durch den Brennstoffzellenstapel 10 mittels des Strom-Messwandlers 12. Der Strom-Messwandler 12 setzt die Strommenge in ein Spannungssignal um, welches sich proportional zu dem Stromfluss durch den Brennstoffzellenstapel 10 hindurch verhält. Das Spannungssignal wird durch den Verstärker 16 verstärkt und durch den Trägersperrfilter 20 gefiltert.
Manche Strom-Messwandler 12 machen eine integrierende Schaltung 13 erforderlich, die sich in Gegenwart von unerwünschten Großsignalen sättigen kann. Daher kann der Integrierer 11 des Wechselstromsensors für jeden Hochfrequenzmesskanal 55 jeweils die separaten Integriererfilter 24, 26 bzw. 28 umfassen. Die Integriererfilter 24, 26, 28 sind auf Frequenzen abgestimmt, die jenen der einzelnen Hochfrequenzmesskanäle 55 entsprechen.
Die Hochfrequenzmesskanäle 55 umfassen an der Stromsignalkette 42 die Filter 44, 46, 48 und an der Spannungssignalkette 64 die Filter 66, 68, 70, die auf die entsprechenden Frequenzen abgestimmt sind. Die relevanten Frequenzen eines jeden Hochfrequenzmesskanals 55 werden so abgestimmt, dass bekannte unerwünschte Signale mit feststehender Frequenz vermieden werden. Die Filter 44, 46, 48, 66, 68, 70 bewirken, dass jede einzelne Spannungssignalkette 64 und Stromsignalkette 42 mit nahe an diesen liegenden, unerwünschten Großsignalen nur begrenzt in Kontakt kommt, während die Sättigung eines Hochfrequenzmesskanals 55 erlaubt wird, dessen Abstimmfrequenz mit der Frequenz der unerwünschten Großsignals übereinstimmt. Wenn ein unerwünschtes Großsignal vorhanden ist und bewirkt, dass ein Hochfrequenzmesskanal 55 sich sättigt, so dämpfen die Filter an den angrenzenden Hochfrequenzmesskanälen 55 das unerwünschte Signal in ausreichender Weise, so dass der induzierte Brummstrom ohne auftretende Sättigung abklingen kann. Darüber hinaus versteht es sich, dass verschiedene Arten von in der Technik bekannten Frequenzabstimmungsvorrichtungen verwendet werden können, ohne dass dadurch von dem Umfang der Erfindung abgewichen wird.
Die Stromsignalketten 42 empfangen das Spannungssignal von dem Wechselstromsensor 11 und stellen den Strommess- und -aufbereitungsteil der Hochfrequenzmesskanäle 55 dar. Die Stromsignalketten 42 messen über die Detektionsschaltungen 50, 52, 54 den Strom bei einer vorbestimmten, von den Filtern 44, 46, 48 abgestimmten Frequenz. Die Stromsignalketten 42 bereiten die Messung auch als ein Ausgangssignal für den Mikrocontroller 108 auf.
Die Sicherheits-Trennbarriereschaltung 56 wird in der Hochfrequenzmessvorrichtung dann verwendet, wenn die über den Brennstoffzellenstapel 10 hinweg erzeugte Spannung ausreichend ist, um eine Gefahr für Personen oder verbundene Geräte darzustellen. Die Sicherheits-Trennbarriereschaltung 56 schafft eine galvanische Isolierung zwischen einem Hochspannungs- und einem Niederspannungsabschnitt des Systems. Der Trägersperrfilter 60 filtert die relevanten Frequenzen aus der von dem Brennstoffzellenstapel 10 über die Sicherheits-Trennbarriereschaltung 56 empfangenen Spannung.
Die Spannungssignalketten 64 empfangen das Spannungssignal von dem Trägersperrfilter 60 und stellen den Spannungsmess- und -aufbereitungsteil der Hochfrequenzmesskanäle 55 dar. Die Spannungssignalketten 64 messen über die Detektionsschaltungen 78, 80, 82 die Spannung bei einer vorbestimmten Frequenz, die von den Filtern 66, 68, 70 abgestimmt wird. Die Spannungssignalketten bereiten überdies die Messungen als ein Ausgangssignal auf.
In 2, auf die nun Bezug genommen wird, arbeitet der Mikrocontroller 108 als eine Ablaufsteuereinheit, um die Auswahl des präzisesten Hochfrequenzmesswerts zu optimieren. Der Mikrocontroller 108 tastet kontinuierlich die Ausgangsgrößen eines jeden Hochfrequenzmesskanals 55 der Spannungssignalkette 64 und der Stromsignalkette 42 ab. Die Anzahl der implementierten Zustände steht in Abhängigkeit zu der Gesamtanzahl der Hochfrequenzmesskanäle 55 und der Gesamtanzahl der Hochfrequenzmesskanäle 55, die gleichzeitig angeregt werden können.
In jedem Zustand 120, 128, 134 werden Anregungssignale mit allen der Frequenzen der Hochfrequenzmesskanäle 55, mit Ausnahme von einer, in den Brennstoffzellenstapel 10 eingegeben. Die Hochfrequenzmesskanäle 55, in denen Stromwelligkeiten angeregt werden, werden als aktive Kanäle bezeichnet, und die anderen Kanäle werden als inaktive Kanäle bezeichnet.
Der Mikrocontroller 108 bewertet die Gültigkeit einer jeden Spannungs- und Stromwelligkeitsmessung an jedem aktiven Kanal, um zu bestimmen, ob ein unerwünschtes Großsignal in den Schritten 122, 130 und 138 eine Sättigung des Hochfrequenzmesskanalsensors bewirkt. Falls der Mikrocontroller 108 keine Sättigung detektiert, wird der Hochfrequenzmesswert für den Hochfrequenzmesskanal in den Schritten 124, 132 und 140 berechnet, und der Mikrocontroller wählt die beste Messung aus, um sie in den Schritten 126, 136 und 142 als ein elektrisches Signal auszugeben. Der Mikrocontroller überprüft auch die unangeregten Kanäle auf das eventuelle Vorhandensein von Spannung oder Strom bei nicht gegebener, beabsichtigter Anregung. Messungen, die an Kanälen mit geringerer, unangeregter Welligkeit vorgenommen wurden, wird bei in nachfolgenden Zuständen vorgenommenen Messungen eine höhere Gültigkeit zuerkannt. Hochfrequenzmesskanäle, die eine Sättigung oder einen hohen Grad an unangeregter Welligkeit aufweisen, wird in nachfolgenden Zuständen eine weniger hohe Gültigkeit zuerkannt. Der Mikrocontroller 108 kann je nach Gültigkeitsalgorithmus in jedem Zustand eine einzelne oder mehrere Hochfrequenzmessungen ausgeben. Der Mikrocontroller 108 kann auch die Frequenz ausgeben, bei welcher die Hochfrequenzausgangsgrößenmessungen vorgenommen wurden. Der Mikrocontroller 108 kehrt, nachdem er im Zyklusbetrieb alle Zustände 144 durchlaufen hat, zu dem ersten Zustand 120 zurück.
In einer anderen Ausführungsform ist die Hochfrequenzmessvorrichtung unter Verwendung von zumindest einem der Hochfrequenzmesskanäle 55 realisiert. Der Mikrocontroller 108 tastet kontinuierlich einen vorbestimmten Messbereich 151 auf eine Sollfrequenz 153 hin ab, wie in 3 gezeigt. Wie in 5 gezeigt, führt der Mikrocontroller 108 von einer Einsprungstelle (Enter) 166 mit einem ersten Messkanal aus bei 168 einen Abtastvorgang durch, bis er eine Frequenz lokalisiert, auf welcher der Pegel des unangeregten Welligkeit minimal ist und keine sättigenden, unerwünschten Signale existieren 170. Hat der Mikrocontroller 108 alle Messungen abgetastet, ohne einen Minimalwert zu finden (J bei 172), so wird zu 174 verzweigt und es wird ein Ungültig-Signal zurückgegeben 180. Hat der Mikrocontroller 108 nicht alle Messungen abgetastet, ohne einen Minimalwert zu finden (N bei 172), so wird zu 176 verzweigt und es wird anschließend der Minimalwert zurückgegeben 178. In 4 wird die Subroutine aus 5 von einem Start 150 aus in Schritt 152 ausgeführt und es wird in einem Schritt 154 die Hochfrequenzwiderstandsanregung auf die Sollfrequenz 153 eingestellt, die durch den in 178 zurückgegebenen Minimalwert bestimmt ist. Der Mikrocontroller 108 misst bei 156 den Hochfrequenzwiderstand für einen Messkanal bei der Sollfrequenz 153. Der Mikrocontroller 108 kann den Hochfrequenzwiderstand bei der Sollfrequenz 153 unter Verwendung des ersten Hochfrequenzmesskanals oder eines zweiten Hochfrequenzmesskanals messen. Die Subroutine aus 5 wird in Schritt 158 ausgeführt und die aktuelle Frequenz wird bei 160 mit der besten Frequenz verglichen. Das Verfahren verzweigt bei 162 zu Schritt 156, wenn die aktuelle Frequenz die beste Frequenz ist (J bei 160) und verzweigt andernfalls bei 164 zu Schritt 154 (N bei 160).
In einer anderen Ausführungsform ist die Hochfrequenzwiderstandsmessvorrichtung unter Verwendung eines einzigen Hochfrequenzmesskanals 55 realisiert, der sich auf einer Mittenfrequenz 190 in einem vorbestimmten Messbereich 192 befindet, wie in 6 gezeigt. Der Mikrocontroller 108 misst in einem Schritt 194 in 7 das Rauschen bei der Mittenfre quenz 190. Der Mikrocontroller 108 misst in einem Schritt 198 den Hochfrequenzwiderstand bei der Mittenfrequenz 190, wenn der Rauschpegel unterhalb der Sättigung liegt (J bei 196).
Liegt das Rauschen bei der Mittenfrequenz nicht unterhalb des Sättigungspegels (N bei 196), so moduliert der Mikrocontroller 108 die Frequenz des Hochfrequenzmesskanals 55 um eine gleichmäßige Modulationsdistanz Δ oberhalb und unterhalb der Mittenfrequenz 190. Die Modulationsdistanz wird in Schritt 202 auf ein Minimum gesetzt und der Mikrocontroller 108 misst bei 204 das Rauschen bei der Mittenfrequenz 190 plus und minus der Modulationsdistanz Δ. Der Mikrocontroller erhöht die Modulationsdistanz Δ in einem Schritt 206, wenn die Modulationsdistanz sich nicht bereits auf dem Maximum befindet (N bei 208). Wenn die Modulationsdistanz sich auf dem Maximum befindet, meldet das System in Schritt 216 einen Fehler und startet in Schritt 218 neu.
Die Hochfrequenzmessvorrichtung induziert das Anregungssignal und misst in einem Schritt 212 den Hochfrequenzwiderstand bei der modulierten Frequenz, wenn das Rauschen unterhalb der Sättigung ist (J bei 210) und startet daraufhin bei 214 neu. Ein Schritt 200 aktiviert die Anregung nur während der Messung.
Aus der vorangegangenen Beschreibung kann der Fachmann auf einfache Weise die wesentlichen Merkmale der Erfindung ermitteln und, ohne von der Wesensart und dem Umfang der Erfindung abzuweichen, verschiedene Abänderungen und Modifikationen an der Erfindung vornehmen, um sie an unterschiedliche Verwendungszwecke und Bedingungen anzupassen.

Claims

Verfahren zur Messung des Hochfrequenzwiderstands in einem Brennstoffzellensystem, umfassend die Schritte, dass: (a) ein Brennstoffzellenstapel bereitgestellt wird; (b) ein Mikrocontroller bereitgestellt wird; (c) zumindest ein Anregungssignal in den Brennstoffzellenstapel hinein induziert wird; (d) unter Verwendung des Mikrocontrollers das Vorhandensein von unerwünschten Signalen in dem Brennstoffzellenstapel gemessen wird; und (e) der Hochfrequenzwiderstand als eine Funktion des zumindest einen Anregungssignals bei einer Frequenz mit annehmbaren Pegeln unerwünschter Signale berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend das Ausführen des Schritts (d) durch kontinuierliches Abtasten von Ausgangsgrößen einer Mehrzahl von Hochfrequenzmesskanälen, die von dem zumindest einem Anregungssignal erzeugt worden sind.
Verfahren nach Anspruch 2, welches weiterhin den Schritt umfasst, dass die Frequenz eines jeden Hochfrequenzmesskanals abgestimmt wird, um eine Interferenz von bekannten unerwünschten Signalen zu minimieren.
Verfahren nach Anspruch 1, welches umfasst, dass der Schritt (d) durch Abtasten einer vorbestimmten Anzahl von unangeregten Messfrequenzen mit einem ersten Hochfrequenzmesskanal durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, welches weiterhin den Schritt umfasst, dass ein Anregungssignal in die Brennstoffzelle mit einer Sollfrequenz induziert wird, die einer der unangeregten Messfrequenzen mit annehmbaren, unerwünschten Signalen entspricht.
Verfahren nach Anspruch 4, welches weiterhin die Durchführung des Schritts (e) unter Verwendung des ersten Hochfrequenzmesskanals umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, welches weiterhin die Durchführung des Schritts (e) unter Verwendung eines zweiten Hochfrequenzmesskanals umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, welches umfasst, dass der Schritt (d) durch Abstimmen eines ersten Hochfrequenzmesskanals auf eine Mittenfrequenz durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, welches weiterhin den Schritt umfasst, dass das Anregungssignal mit einer Mittenfrequenz in die Brennstoffzelle hinein induziert wird, wenn die Mittenfrequenz nicht gesättigt ist, und dass der Hochfrequenzwiderstand berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, welches weiterhin den Schritt umfasst, dass eine Frequenz des ersten Hochfrequenzmesskanals moduliert wird, um den Kontakt mit einem unerwünschten Signal zu minimieren, wenn die Mittenfrequenz gesättigt ist.
Verfahren nach Anspruch 10, welches weiterhin den Schritt umfasst, dass eine Modulationsdistanz von der Mittenfrequenz erhöht wird, bis der Kontakt mit dem unerwünschten Signal minimiert ist.
Verfahren nach Anspruch 10, welches weiterhin den Schritt umfasst, dass das Anregungssignal mit der in Modulation befindlichen Frequenz in die Brennstoffzelle hinein induziert wird.
Verfahren zur Messung des Hochfrequenzwiderstands in einem Brennstoffzellensystem, umfassend die Schritte, dass: (a) ein Brennstoffzellenstapel bereitgestellt wird; (b) ein Mikrocontroller bereitgestellt wird; (c) eine Mehrzahl von Hochfrequenzmesskanälen bereitgestellt wird, wobei die Gesamtanzahl der Kanäle um zumindest eins größer ist als die Gesamtanzahl von erwarteten, unerwünschten Signalen; (d) jeder Hochfrequenzmesskanal auf eine separate, feste Frequenz eingestellt wird; (e) eine Anzahl von Zuständen bestimmt wird; (f) während eines jeden Zustands zumindest ein Hochfrequenzmesskanal als ein inaktiver Kanal und die verbleibenden Hochfrequenzmesskanäle als aktive Kanäle vorgesehen werden; (g) während eines jeden Zustands zumindest ein Anregungssignal mit den Frequenzen der aktiven Kanäle in den Brennstoffzellenstapel hinein induziert wird; (h) unter Verwendung des Mikrocontrollers ein Ausgangssignal der Hochfrequenzmesskanäle abgetastet wird; (i) die Gültigkeit des Ausgangssignals bewertet wird; (j) ein Hochfrequenzwiderstandswert des Brennstoffzellensystems berechnet wird; und (k) der Hochfrequenzwiderstandswert ausgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 13, welches umfasst, dass der Schritt (d) durch Abstimmen der unabhängigen Signalketten durchgeführt wird, um den Kontakt mit bekannten, unerwünschten Signalen mit fester Frequenz zu minimieren.
Verfahren nach Anspruch 13, welches umfasst, dass der Schritt (h) unter Verwendung des Mikrocontrollers ausgeführt wird, um die unangeregten Kanäle bei nicht gegebenem, beabsichtigten Anregungssignal auf Spannungs- oder Stromwelligkeit hin auszuwerten.
Verfahren nach Anspruch 13, welches weiterhin den Schritt umfasst, dass die Frequenz ausgegeben wird, bei welcher der Hochfrequenzwiderstandswert berechnet wurde.
Vorrichtung zur Hochfrequenzwiderstandsmessung in einem Brennstoffzellensystem, umfassend: einen Hochfrequenz-Spannungsmesskanal, der auf eine vorbestimmte Frequenz abgestimmt ist und auf ein Anregungssignal anspricht, das zur Erzeugung eines Spannungssignals in das Brennstoffzellensystem eingegeben wird; einen Hochfrequenz-Strommesskanal, der auf die vorbestimmte Frequenz abgestimmt ist und auf das Anregungssignal anspricht, das zur Erzeugung eines Stromsignals in das Brennstoffzellensystem eingegeben wird; und einen Mikrocontroller, der auf das Spannungssignal und das Stromsignal anspricht, um einen Hochfrequenzwiderstandswert des Brennstoffzellensystems zu berechnen.
Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei die vorbestimmte Frequenz durch den Mikrocontroller einstellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei eine erste Anzahl der Hochfrequenz-Spannungsmesskanäle um eins größer ist als eine zweite Anzahl von erwarteten, unerwünschten Signalen.
Vorrichtung nach Anspruch 19, welche die erste Anzahl von Hochfrequenz-Strommesskanälen umfasst.