-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Gebiet der Erfindung
-
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf ein System und ein Verfahren zum Reduzieren der Häufigkeit von Brennstoffzellenstapel-Stand-By-Betriebsereignissen, während der Brennstoffzellenstapel altert, sofern notwendig, und insbesondere auf ein System und ein Verfahren zum Reduzieren der Häufigkeit von Brennstoffzellenstapel-Stand-By-Betriebsereignissen, während der Brennstoffzellenstapel altert, durch Bestimmen des irreversiblen Stapelspannungsverlustes und dem daraus ergebenden Abschätzen, ob die Spannungsdegradationsrate zu hoch ist, was erwartet würde, wenn die Spannung unter einen vorbestimmten Grenzwert vor der geschätzten Lebensdauer des Stapels fallen würde.
-
Diskussion des Standes der Technik
-
Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er sauber ist und dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu produzieren. Eine Wasserstoffbrennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode beinhaltet, zwischen denen ein Elektrolyt angeordnet ist. Die Anode erhält Wasserstoffgas und die Kathode erhält Sauerstoff oder Luft. Das Wasserstoffgas wird in der Anode dissoziiert, um freie Wasserstoffprotonen und Elektronen zu erzeugen. Die Wasserstoffprotonen gelangen durch den Elektrolyten zu der Kathode. Die Wasserstoffprotonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode und erzeugen dabei Wasser. Die Elektronen können von der Anode nicht durch den Elektrolyten gelangen. Dementsprechend werden sie über eine Last geleitet, um Arbeit auszuführen, bevor sie an die Kathode gelangen.
-
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) sind eine populäre Brennstoffzelle für Fahrzeuge. Eine PEMFC beinhaltet im Allgemeinen eine feste Polymerelektrolytenprotonenleitende Membran, so zum Beispiel eine Membran aus einer Perfluorsulfonsäure. Die Anode und die Kathode beinhalten typischerweise fein verteilte Katalysatorteilchen, gewöhnlicherweise Platin (Pt), verteilt auf Kohlenstoffpartikeln und vermischt mit einem Ionomer. Die Katalysatormischung ist an entgegengesetzten Seiten der Membran aufgebracht. Die Kombination der Anodenkatalysatormischung, der Kathodenkatalysatormischung und der Membran definieren eine Membranelektroden-Anordnung (MEA). MEAs sind in der Herstellung relativ teuer und erfordern bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb.
-
Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu generieren. Beispielsweise kann ein typischer Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug zweihundert oder mehr gestapelte Brennstoffzellen aufweisen. Der Brennstoffzellenstapel erhält ein Kathodeneingangsgas, wobei typischerweise ein Luftfluss mittels eines Kompressors durch den Stapel geleitet wird. Von dem Stapel wird nicht der gesamte Sauerstoff aufgebraucht und einiges an Luft wird als Kathodenabgas ausgelassen, wobei das Kathodenabgas Wasser als ein Stapelabfallprodukt beinhalten kann. Der Brennstoffzellenstapel erhält auch ein Anodenwasserstoffeingangsgas, das in die Anodenseite des Stapels fließt. Der Stapel beinhaltet ferner Flusskanäle, durch die ein Kühlmittel fließt.
-
Ein Brennstoffzellenstapel weist typischerweise eine Reihe von Bipolarplatten auf, die in dem Stapel zwischen die mehreren MEAs angeordnet sind, wobei die Bipolarplatten und die MEAs zwischen zwei Endplatten angeordnet sind. Die Bipolarplatten beinhalten eine Anodenseite und eine Kathodenseite zu benachbarten Brennstoffzellen in dem Stapel. Anodengasflusskanäle sind auf der Anodenseite der Bipolarplatten vorgesehen, die es erlauben, dass das Anodenreaktionsgas zu der jeweiligen MEA fließt. Auf der Kathodenseite der Bipolarplatten sind Kathodengasflusskanäle vorgesehen, die es erlauben, dass das Kathodenreaktionsgas zu der jeweiligen MEA fließt. Eine Endplatte beinhaltet Anodengasflusskanäle und die andere Endplatte beinhaltet Kathodengasflusskanäle. Die Bipolarplatten und Endplatten bestehen aus einem leitfähigen Material, wie zum Beispiel rostfreiem Stahl oder einem leitfähigen Verbundmaterial. Die Endplatten leiten die Elektrizität, die von den Brennstoffzellen generiert wurde, aus dem Stapel heraus. Die Bipolarplatten beinhalten des Weiteren Flusskanäle, durch welche ein Kühlmittel fließt.
-
Wenn das Brennstoffzellensystem in einem Leerlauf-Betrieb ist, beispielsweise wenn das Brennstoffzellenfahrzeug an einer roten Ampel gestoppt wird, wobei der Brennstoffzellenstapel keine Leistung erzeugt, um die Systemgeräte zu betreiben, werden immer noch Kathodenluftfluss und Wasserstoffgas im Allgemeinen an den Brennstoffzellenstapel abgegeben und der Stapel erzeugt eine Ausgangsleistung. Das Abgeben von Wasserstoffgas an den Brennstoffzellenstapel, wenn sich dieser im Leerlaufbetrieb befindet, ist im Allgemeinen unwirtschaftlich, da der Betrieb des Stapels unter dieser Bedingung keine besonders nützliche Arbeit verrichtet. Demzufolge ist es im Allgemeinen wünschenswert, während dieser Leerlaufbedingungen die Stapelausgangsleistung und die Stromabgabe zu reduzieren, um die Brennstoffeffizienz des Systems zu verbessern.
-
Es kann für diese und andere Brennstoffzellensystem-Betriebsbedingungen wünschenswert sein, das System in einen Stand-By-Betrieb zu versetzen, wobei das System wenig oder gar keine Leistung verbraucht, das Brennstoffquantum, das verbraucht wird, minimal ist und das System schnell aus dem Stand-By-Betrieb zurückkehren kann, um die Systemeffizienz zu steigern und die Systemdegradation zu reduzieren. Die US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer
US 2011/0087389 A1 mit dem Titel „Stand-By-Betrieb zur Optimierung der Effizienz und Haltbarkeit von einer Brennstoffzellenfahrzeug-Anwendung“, angemeldet am 12. März 2010 von dem Anmelder dieser Patentanmeldung und hiermit durch Bezugnahme inkorporiert, offenbart ein bekanntes Verfahren dieser Art zum Versetzen eines Brennstoffzellensystems auf einem Fahrzeug in einen Stand-By-Betrieb, um Brennstoff zu sparen.
-
Es gibt eine Zahl von Mechanismen aus dem Betrieb von einem Brennstoffzellensystem, die einen permanenten Verlust an Stapelleistungsfähigkeit verursachen, beispielsweise der Verlust an Katalysatoraktivität, die Korrosion der Katalysatorhalterung und die Pinhole-Bildung in den Zellenmembranen. Es gibt allerdings andere Mechanismen, die Stapelspannungsverluste verursachen, die im Großen und Ganzen reversibel sind, beispielsweise das Austrocknen der Zellenmembranen, die Oxidbildung des Katalysators und der Aufbau von Kontaminationen sowohl auf der Anodenseite als auch auf der Kathodenseite des Stapels. Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, die Beseitigung der Oxidbildungen und der aufgebauten Kontaminationen sowie das Rehydrieren der Zellenmembranen durchzuführen, um Verluste in der Zellspannung in einem Brennstoffzellenstapel rückgängig zu machen. Die US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer
US 2011/0091781 A1 mit dem Titel „Automatisiertes Verfahren zum Ausführen eines In-Situ-Rekonditionierens eines Brennstoffzellenstapels“, angemeldet am 16. Oktober 2009 von dem Anmelder dieser Patentanmeldung und hiermit durch Bezugnahme inkorporiert, offenbart ein solches Verfahren zum Rekonditionieren eines Brennstoffzellenstapels, um einen reversiblen Spannungsverlust rückgängig zu machen.
-
Die Membranen innerhalb eines Brennstoffzellenstapels müssen einen hinreichenden Wassergehalt aufweisen, so dass der Ionenwiderstand über die Membran niedrig genug ist, um effektiv Protonen zu leiten. Die Membranbefeuchtung kann von dem Stapelwasserabfallprodukt oder einer externen Befeuchtung kommen. Der Fluss an Reaktanten durch die Flusskanäle des Stapels weist einen Trocknungseffekt für die Zellmembranen auf, der sich zumeist am Einlass für den Reaktantenfluss bemerkbar macht. Die Akkumulation von Wassertröpfchen innerhalb der Flusskanäle kann jedoch Reaktanten am Durchfließen hindern und dazu führen, dass die Zelle aufgrund eines niedrigen Reaktantengasflusses ausfällt, was die Stapelstabilität beeinträchtigt. Die Akkumulation an Wasser in den Reaktantengasflusskanälen genauso wie innerhalb der Gasdiffusionsschicht (GDL) ist insbesondere bei niedrigen Stapelausgangslasten kritisch.
-
Der Nassbetrieb eines Brennstoffzellenstapels, welcher der Betrieb mit einem hohen Betrag an Befeuchtung ist, ist für die Systemleistungsfähigkeit und die Kontaminationsbeseitigung wünschenswert. Es gibt allerdings verschiedene Gründe um einen Brennstoffzellenstapel mit einer niedrigeren Befeuchtung zu betreiben. Beispielsweise kann der Nassbetrieb zu Brennstoffzellenstapel-Stabilitätsproblemen aufgrund von Wasserbildung führen und auch eine Anoden-Unterversorgung bewirken, die zu einer Kohlenstoffkorrosion führt. Darüber hinaus kann der Nassbetrieb unter Frostbedingungen aufgrund des an verschiedenen Orten in dem Brennstoffzellenstapel einfrierenden flüssigen Wassers problematisch sein.
-
Um die Anforderungen an die Fahrzeugbeschleunigung und das Steigerungsvermögen am vorhergesagten Stapel-Lebensende (End-of-Life = EOL) oder Stapel-Leistungsende (End-of-Service = EOS) einzuhalten, muss die Stapelspannung über einem vorbestimmten Grenzwert gehalten werden. Permanenter Stapelspannungsverlust rührt hauptsächlich von einem Verlust der Kathodenelektroden-Leistungsfähigkeit her, welche wiederum eine Funktion der Spannungszykluscharakteristiken ist. Wenn das Brennstoffzellensystem in den Stand-By-Betrieb geht, falls die Stapelspannung auf 0 V geht, bewirkt das darauf folgende Anwachsen in der Stapelspannung, nachdem das Brennstoffzellensystem den Stand-By-Betrieb verlässt, eine gewisse irreversible Spannungsdegradation als Ergebnis eines Verlustes an Katalysatoraktivität.
-
Aufgrund ihres Fahrprofils könnte eine kleine Untergruppe von Fahrzeugführern erhöhte Brennstoffzellenstapeldegradationsraten erfahren, die in einer inakzeptablen Leistung am Ende der Fahrzeugziellebensdauer resultieren. Im Gegensatz dazu hat es sich gezeigt, dass die Fahrcharakteristiken der meisten Brennstoffzellenfahrzeugführer so ist, dass die Zahl, bei denen ihr Fahrzeug durch den Stand-By-Betrieb geht, niedrig genug ist, dass die Brennstoffzellendegradation, die durch die oben beschriebenen Spannungszyklen bewirkt wird, nicht ausreicht, um inakzeptable Leistungsverluste vor dem Ende der Stapelziellebensdauer zu bewirken. Die risikoreichen Fahrzeugführer würden eine schlechtere Brennstoffeinsparung erfahren, wenn es Ihnen nicht gestattet würde, in den Stand-By-Betrieb überzugehen, wenn das Fahrzeug sich im Leerlauf befindet. Mit den gegenwärtigen Brennstoffzellensystemen ist das gleichzeitige Optimieren der Fahrzeuglebensdauer und des Spitzenwirkungsgrades, was das Zulassen des Stand-By-Betriebs beinhaltet, nicht möglich.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Im Einklang mit den Lehren der vorliegenden Erfindung werden ein System und ein Verfahren zum Reduzieren der Häufigkeit von Stapel-Stand-By-Betriebsereignissen, wenn notwendig, während ein Brennstoffzellenstapel altert und eine niedrigere Leistungsfähigkeit erfährt, offenbart. Das Verfahren bestimmt einen irreversiblen Spannungsverlust des Brennstoffzellenstapels zu vorbestimmten Zeitintervallen und bestimmt eine Stapelspannungsdegradationsvariable basierend auf dem irreversiblen Spannungsverlust. Das Verfahren bestimmt ferner, ob die Stapelspannungsdegradationsvariable anzeigt, dass der Brennstoffzellenstapel nicht die vorbestimmten Anforderungen an die Stapellebensende-spannung einhalten wird, und berechnet eine maximal zulässige Spannungsdegradationsrate des Brennstoffzellenstapels, wenn die Stapelspannungsdegradationsvariable anzeigt, dass der Brennstoffzellenstapel nicht die vorbestimmten Anforderungen an die Stapellebensende-spannung einhalten wird. Das Verfahren berechnet eine maximale Anzahl von Stand-By-Betriebsereignissen pro Zeiteinheit, die zugelassen werden kann, um den Stapel daran zu hindern, die maximal zulässige Degradationsrate zu überschreiten, und regelt die Zahl der Stand-By-Betriebsereignisse basierend auf der berechneten maximalen Zahl von Stand-By-Betriebsereignissen.
-
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Patentansprüchen in Verbindung mit den beigefügten Figuren deutlich.
-
Figurenliste
-
- 1 ist ein einfaches schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems;
- 2 ist ein Blockdiagramm eines Regelsystems;
- 3 ist ein Graph, bei dem Stunden auf der horizontalen Achse und eine mittlere Zellspannung, welche die mittlere Zellspannung über die Lebensdauer eines Brennstoffzellenstapels bei einer hohen Stapelstromdichte zeigt, auf der vertikalen Achse aufgetragen sind; und
- 4 ist ein Blockdiagramm eines Systems zum Begrenzen von Brennstoffzellenstapel-Stand-By-Betriebsereignissen.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
-
Die folgende Diskussion der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein Brennstoffzellensystem gerichtet ist, welches die Häufigkeit von Brennstoffzellenstapel-Stand-By basierend auf einer geschätzten irreversiblen Stapelspannungsdegradation reduziert, ist rein beispielhafter Natur und in keiner Weise dazu gedacht, die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Verwendungen einzuschränken. Beispielsweise findet die vorliegende Erfindung eine spezielle Anwendung bei einem Brennstoffzellensystem auf einem Fahrzeug. Wie von Fachleuten allerdings gut erkannt werden kann, können das System und das Verfahren der Erfindung auch andere Anwendungen haben.
-
1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems 10 mit einem Brennstoffzellenstapel 12. Ein Kompressor 14 stellt einen Luftfluss zu der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 auf einer Kathodeneingangsleitung 16 beispielsweise durch eine Wasserdampftransfereinheit (WVT) 18 bereit, die die Kathodeneingangsluft befeuchtet. Ein Kathodenabgas wird von dem Stapel 12 über eine Kathodenabgasleitung 20 ausgelassen, welche das Kathodenabgas zu der WVT-Einheit 18 richtet, um die Feuchtigkeit für die Befeuchtung der Kathodeneingangsluft bereitzustellen. Eine Umgehungsleitung 22 ist um die WVT-Einheit 18 angeordnet, um einen Teil oder das gesamte Kathodenabgas um die WVT-Einheit 18 umzuleiten. In einer alternativen Ausführungsform kann die Bypass-Leitung 22 ein Einlass-Bypass sein. Ein Bypass-Ventil 24 ist in der Bypass-Leitung 22 angeordnet und geregelt, um selektiv das Kathodenabgas durch oder um die WVT-Einheit 18 zu leiten, um den gewünschten Betrag an Feuchtigkeit an die Kathodeneingangsluft abzugeben. In einer alternativen Ausführungsform kann die Bypass-Leitung 22 nicht erforderlich sein.
-
Der Brennstoffzellenstapel
12 erhält Wasserstoff aus einer Wasserstoffquelle
26, die Wasserstoffgas in die Anodenseite des Brennstoffzellenstapels
12 durch die Anodeneingangsleitung
28 unter Verwendung eines Injektors
30 injiziert. Ein Anodenabgas wird von dem Brennstoffzellenstapel
12 auf der Rezirkulationsleitung
32 ausgelassen, die das Anodenabgas zurück zu dem Anodeneingang rezirkuliert, indem sie diese an den Injektor
30 gibt, der als ein Injektor/Ejektor arbeiten kann, was aus dem Stand der Technik bekannt ist. Ein geeignetes Beispiel für einen Injektor/Ejektor ist in der US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer
US 2006/0024548 A1 mit dem Titel „Kombination eines Injektor/Ejektors für Brennstoffzellensysteme“, eingetragen auf den Anmelder dieser Patentanmeldung und hiermit inkorporiert durch Bezugnahme, beschrieben. In einer alternativen Ausführungsform könnte die Rezirkulation in der Leitung
32 von einer Pumpe oder einem Kompressor anstelle eines Injektor/Ejektors ausgeführt werden. Es ist aus dem Stand der Technik gut bekannt, dass sich Stickstoff auf der Anodenseite des Stapels
12 akkumuliert, was die Konzentration an Wasserstoff dort reduziert und die Leistungsfähigkeit des Systems
10 beeinträchtigt. Ein Entlüftungsventil
34 ist in der Rezirkulationsleitung
32 angeordnet, um periodisch das Abgas und Flüssigkeit zu entlüften, um den Stickstoff aus dem Anodensubsystem zu entfernen. Das entlüftete Anodenabgas wird auf einer Entlüftungsleitung
36 an die Kathodenabgasleitung
20 geliefert.
-
Wenn das Brennstoffzellensystem
10 arbeitet, kann die Kontamination der Brennstoffzellenelektroden bewirken, dass die Stapelspannung abfällt. Die Spannung kann aber durch das Betreiben des Stapels
12 mit einer Technik, die die Kontaminanten von den Elektroden entfernt, wiederhergestellt werden, was als Spannungswiederherstellung bezeichnet wird, welche beispielsweise in der Anmeldung
US 2001/0091781 A1 offenbart ist. Die Spannungswiederherstellungsfunktion konditioniert den Stapel
12 in häufigen Betriebsintervallen, um die Kontaminanten von den Elektroden zu entfernen, welche den reversiblen Spannungsverlust bewirken.
-
Die vorliegende Erfindung schlägt ein System und ein Verfahren zum Reduzieren der Häufigkeit des Betreibens des Brennstoffzellensystems
10 in einem Stand-By-Betrieb, wenn notwendig, vor, wenn der Brennstoffzellenstapel
12 altert und eine niedrigere Leistungsfähigkeit erfährt, so dass der Brennstoffzellenstapel
12 seine Soll-Lebensdauerleistungsfähigkeitskriterien erfüllt oder diese überschreitet. Das Verfahren bestimmt den reversiblen Stapelspannungsverlust basierend auf einer Schätzung der Stapel-Polarisationskurve und ermittelt aus dieser, ob die Spannungsdegradationsrate zu hoch ist, wobei erwartet wird, dass die Spannung unter einen eingestellten Grenzwert vor der geschätzten Betriebslebensdauer des Stapels
12 fällt. Wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, ist die Stapel-Polarisationskurve eine Beziehung zwischen Stapelstrom und Stapelspannung, welche das Systemregelgerät während des Brennstoffzellenstapelbetriebs für die Stapelleistungsregelung ermittelt, wobei die Beziehung sich ändert, wenn der Stapel altert. Verschiedene Techniken sind aus dem Stand der Technik zum Bestimmen der Stapel-Polarisationskurve bekannt, beispielsweise aus der US-Patentanmeldung
US 2008/0182139 A1 , veröffentlicht am 31. Juli 2008 mit dem Titel „Algorithmus für die adaptive Polarisationskurvenschätzung eines Brennstoffzellenstapels“, angemeldet von dem Anmelder dieser Patentanmeldung und hiermit inkorporiert durch Bezugnahme. Wenn die Rate der Spannungsdegradation als zu hoch bestimmt wird, bestimmt das System
10 die Zahl der Stand-By-Betriebsereignisse, die über eine gewisse Zeitperiode auftreten können, beispielsweise pro Stunde, um die Anforderungen für die Stapellebensdauer einzuhalten. Das Verfahren begrenzt dann die Zahl der Stand-By-Betriebsereignisse für die Zeitperiode mittels des zulässigen Stand-By-Werts, um die Rate der irreversiblen Spannungsdegradation zu reduzieren.
-
2 ist ein Blockdiagramm eines Regelverfahrens 40 zum Überwachen der Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels 12, bei dem bestimmt wird, wie viele Stand-By-Betriebsereignisse pro Zeitperiode basierend auf dieser Leistungsfähigkeit zugelassen werden können und bei der dann die Zahl der Stand-By-Betriebsereignisse begrenzt wird, die eintreten können, falls die vorliegende Stand-By-Betriebsereignisauftrittsrate zu hoch ist, um die Soll-Stapellebensdauerleistungsfähigkeit einzuhalten.
-
Das Regelverfahren 40 beinhaltet eine Stapelleistungsfähigkeit-Vorhersageeinheit (SPP) 42, der den irreversiblen Stapelspannungsverlust bestimmt. In einer nicht einschränkenden Ausführungsform schätzt der SPP 42 die Stapel-Polarisationskurve des Brennstoffzellenstapels 12, um den Spannungsverlust zu bestimmen. Die Polarisationskurvenschätzung beruht auf einer fahrzeugeigenen Stapelleistungsfähigkeit und verwendet Leistungsfähigkeitsdaten über einen Bereich von Betriebsbedingungen oder Daten über einen begrenzten Stapelstromdichtenbereich, beispielsweise einer maximalen Stapelstromdichte von z.B. 1,5 A/cm2. In einer alternativen Ausführungsform könnte die Stapelleistungsfähigkeit durch Ermittlung der Katalysatorcharakteristiken mittels spezifischer Ermittlungsprotokolle geschätzt werden. In vorbestimmten Adaptionsermittlungsintervallen wird eine Spannungsdegradationsvariable verwendet, die die gegenwärtige Stapelspannungsdegradation und die Degradationsrate identifiziert, um zu bestimmen, ob eine maximale Stand-By-Betriebshäufigkeitsbegrenzung erforderlich ist. Der Spannungsdegradationswert wird in einem Speicher abgespeichert, der im Falle einer Batterietrennung oder einer Maschinensteuermodul-Reprogrammierung (Flash) erhalten bleibt und für ein neues Betriebsintervall zurückgesetzt wird, jedes Mal wenn die maximale Stand-By-Häufigkeitsbegrenzung aktualisiert wird.
-
In Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen und der Umgebung kann das System 10 benötigen, periodisch rekonditioniert zu werden, um wiederherstellbare oder wiedergewinnbare Spannungsverluste mit einem Spannungswiederherstellverfahren wiederzugewinnen. Wenn eine intermittierende Zellspannungswiederherstellstrategie verwendet wird, erfordert die Bestimmung des irreversiblen Stapelspannungsverlustes, dass der SPP 42 die Stapelleistungsfähigkeitsschätzung ausführt, um die Spannungsdegradationsvariable innerhalb einer vorbestimmten Kalibrier-Periode, beispielsweise 10 Stunden nach Abschluss des Spannungswiederherstellverfahrens, zu bestimmen. Ferner wird aufgrund der beschleunigten Degradation am Anfang des Stapel-Lebenszyklus das Regeln oder Begrenzen der Zahl von Stand-By-Betriebsereignissen nur nach einem Stapelbetriebszeitminimum, beispielsweise nach 1000 Stunden, erfolgen und einer Minimalzeit zwischen Stapelleistungsfähigkeitsermittlungsintervallen unterworfen.
-
3 ist ein Graph, bei dem die Zeit in Stunden auf der horizontalen Achse und die mittlere Zellspannung der Brennstoffzellen in dem Stapel 12 auf der vertikalen Achse in Millivolt (mV) aufgetragen ist. Die Graphenlinie 60 stellt die mittlere Zellspannung über die Zeit dar, wie sie durch den Polarisationskurvenschätzprozess in der SPP 42 bestimmt wurde. Die Linien 62, 64 und 66 sind Zeiten während des Betriebs des Stapels 12, bei denen ein Spannungswiederherstellverfahren ausgeführt wird, um den reversiblen Spannungsverlust des Stapels 12 wiederherzustellen. Wie oben erwähnt, wird die SPP 42 die Spannungsdegradationsvariable innerhalb einer bestimmten Zeitperiode des Wiederherstellverfahrens, beispielsweise an den Punkten 68, 70 und 72 bestimmen, so dass nur der irreversible Spannungsverlust von der SPP 42 geschätzt wird.
-
Sobald die SPP 42 die Spannungsdegradationsvariable bestimmt, bestimmt das Verfahren 40 dann im Kasten 44 eine maximale Stand-By-Betriebsereignishäufigkeit. Das Verfahren 40 bestimmt zuerst, ob Zulässigkeitskriterien für das Wiederberechnen der maximalen Zahl von Stand-By-Betriebsereignissen im Kasten 46 erfüllt sind. Eines der Zulässigkeitskriterien ist, ob die Stapelspannungsvorhersage die Stapelspannung mit den beseitigten wiederherstellbaren Spannungsverlusten genau wiedergibt. Ein anderes Zulässigkeitskriterium ist, dass genug Zeit, seit die letzte Berechnung für die maximalen Stand-By's ausgeführt wurde, verstrichen ist.
-
Wenn die Zulässigkeitskriterien erfüllt sind, bestimmt das Verfahren 40 eine maximal zulässige Spannungsdegradationsratenvariable im Kasten 48, die es dem Stapel 12 gestatten wird, seine Lebensdauerspannungsleistungsfähigkeit zu erreichen. Die maximal zulässige Spannungsdegradationsrate wird berechnet und basierend auf der erforderlichen verbleibenden Gesamtspannung, welche noch vor dem Lebensdauerende verloren werden wird, dividiert durch den erforderlichen Betrag an verbleibender Zeit in der Fahrzeugnutzungsdauer, aktualisiert. In den Adaptionsermittlungsintervallen wird die maximal zulässige Spannungsdegradationsratenvariable verwendet, um zu bestimmen, ob eine Anpassung der maximalen Stand-By-Häufigkeitsbegrenzung erforderlich ist.
-
Unter Verwendung der maximal zulässigen Spannungsdegradationsratenvariable berechnet das Verfahren im Kasten 50 dann die maximale Zahl der zulässigen Stand-By-Betriebsereignisse für die Zeitperiode als einen reduzierten Stand-By-Betriebsereignishäufigskeitswert, welcher die berechnete maximal zulässige Spannungsdegradationsrate trifft, wobei der Stand-By-Betriebshäufigkeitswert durch Division der Zahl der Gesamtzyklus-Stand-By-Betriebsereignisse durch die Stapellaufzeit pro Stunde ermittelt wird. Diese Häufigkeit wird durch Kombinieren der maximal zulässigen Spannungsdegradationsratenvariablen mit Schätzungen der Spannungsdegradationsrate ohne Stand-By basierend auf Betriebsannahmen und Systemnutzung, und der projizierten Spannungsdegradationsrate des Stand-By berechnet. Ein reduzierter Stand-By-Betriebsereignishäufigkeitswert sollte die Spannungsdegradationsrate reduzieren, um die minimale Lebensdauerzellspannung zu treffen. Der maximale Stand-By-Betriebshäufigkeitswert wird dann in einem Speicher, der auch bei Batterietrennung erhalten bleibt, abgespeichert und auf einen Minimum- und Maximum-Kalibrierwert begrenzt.
-
Das Verfahren 40 regelt dann die Zahl der Stand-By-Betriebsereignisse im Kasten 52 basierend auf der maximal zulässigen Zahl der Stand-By-Betriebsereignisse aus dem Kasten 50. Die Stand-By-Betriebszulässigkeitsberechnung wird im Kasten 54 abgeschlossen und basiert auf der ermittelten maximalen Zahl von zulässigen Stand-By-Betriebsereignissen und der momentanen Zahl von Stand-By-Betriebsereignissen pro Stunde im Kasten 56.
-
In diesem Beispiel, das unten in größerem Detail diskutiert werden wird, werden die momentane Zahl von Stand-By-Betriebsereignissen pro Stunde und die maximal zulässige Zahl von Stand-By-Betriebsereignissen pro Stunde verglichen und die minimale Laufzeit zwischen Stand-By-Betriebsereignissen wird erhöht, so dass der Schwellwert für das Maximum nicht überschritten werden kann, wenn sich die Zahl der Stand-By-Betriebsereignisse der Begrenzung nähert.
-
4 ist ein Flussdiagramm 80, das ein Verfahren zum Bestimmen der Zahl von zulässigen Stand-By-Betriebsereignissen pro Stunde basierend auf der momentanen maximalen Zahl von Stand-By-Betriebsereignissen, die in dem Kasten 54 bestimmt wurden, zeigt. Die momentane Zahl von Stand-By-Betriebsereignissen pro Stunde Laufzeit aus dem Kasten 56 wird an den Kasten 82 übergeben und die berechnete maximale Zahl von zulässigen Stand-By-Betriebsereignissen aus dem Kasten 50 wird an den Kasten 84 übergeben und diese werden im Kasten 86 dividiert, um einen Bruchteil des Grenzwertes zu generieren. Die maximal pro Laufzeit zulässigen Stand-By-Betriebsereignisse werden zu einer mittleren, zwischen Stand-By-Ereignissen zulässigen Zeit im Kasten 90 invertiert. Der Bruchteil des Stand-By-Grenzwerts wird im Kasten 88, beispielsweise mit der Tabelle I unten, zu einem Faktor für die minimale Zwischen-Stand-By-Betriebslaufzeit umgewandelt, so dass bei Anstieg des Bruchteils des Stand-By-Grenzwerts der Faktor für die minimale Zwischen-Stand-By-Betriebslaufzeit mit einer gleichmäßigen Rate ebenfalls ansteigt. Die mittlere, zwischen Stand-By-Ereignissen zulässige Zeit wird mit dem Faktor für die minimale Zwischen-Stand-By-Betriebslaufzeit im Kasten 92 multipliziert, um die zwischen den Stand-By-Betriebsereignissen erforderliche Zeit zu ergeben. Diese zwischen Stand-By-Betriebsereignissen minimale Laufzeit aus dem Kasten 92 wird dann im Kasten 94 mit einer kalibrierten nominalen minimalen Zeit zwischen Stand-By-Betriebsereignissen, die im Kasten 96 bereitgestellt wird, verglichen, wobei die größere der beiden im Kasten 98 als die zwischen Stand-By-Betriebsereignissen minimale Laufzeit ausgewählt wird.
-
Falls die tatsächliche Stand-By-Betriebsereignishäufigkeit größer als der maximale Stand-By-Betriebsereignishäufigkeitsgrenzwert ist, werden die zulässigen System-Stand-By-Betriebsereignisse, wann auch immer eine minimale Zahl von ganzen Stand-By-Zyklen seit dem letzten Zurücksetzen der aktuellen Stand-By-Häufigkeitsvariablen nicht aufgetreten ist, überschrieben, erlauben die für das System verfügbaren Lasten nicht mehr die Unterdrückung der Zellspannungen und es wird ein In-Situ-Spannungswiederherstellungsverfahren ausgelöst und aktiv. In diesen Fällen kann die Degradation aufgrund des Eintritts in den Stand-By-Betrieb geringer sein als beim Nichteintritt in den Stand-By-Betrieb und demzufolge kann das Begrenzen der Stand-By-Häufigkeit unerwünscht sein.
-
Anstelle der Verwendung des Verfahrens aus dem Flussdiagramm
80 ist es eine andere Strategie zur Reduktion der Häufigkeit der Stand-By-Betriebsereignisse, nur gewisse Arten von Stand-By-Betrieben zu erlauben. Einige Arten von Stand-By-Betrieben schalten mehrere Hilfsgeräte ab, um zusätzlich Leistung auf Kosten der Zeit eines Systemneustarts zu sparen, was als nicht-dynamischer Stand-By bekannt ist. Nicht-dynamischer Stand-By könnte implementiert werden, wenn das Fahrzeug gestoppt wird oder wenn das Fahrzeug bei niedrigen Geschwindigkeiten betrieben wird. Einige Ausführungsformen würden den Stand-By-Betrieb nur dann gestatten, wenn der Fahrzeugführer das Fahrzeug in eine Parkposition gebracht hat, so dass die Gesamtzahl von Stand-By-Betriebsspannungszyklen durch Eliminieren von Stand-By-Ereignissen, bei denen sich das Fahrzeug bewegt, reduziert wird. Eine noch andere Art, das Auftreten von Stand-Bys zu reduzieren, wäre es, die Gesamtstrategie für die Fahrzeug-Hybridisierung einzustellen. Die Kostenfunktionsoptimierungsparameter, die bestimmen, wann ein Stand-By-Betriebsereignis eingegangen wird, könnte dahin geändert werden, dass der Übergang in den Stand-By-Betrieb weniger oft erfolgt. Falls eine Stapellebensdauergröße in der Kostenfunktion vorhanden ist, könnte deren Verstärkungsfaktor erhöht werden, so dass der Stand-By teurer wäre.
Tabelle I
| Bruchteil des Grenzwertes | Minimale Laufzeit zwischen Stand-By-Ereignissen als Verhältnis des Grenzwerts |
| 1 | 1 |
| 0,8 | 0,4 |
| 0,7 | 0,2 |
| 0,6 | 0,1 |
| 0,5 | 0 |
-
Das Reduzieren des Elektrodenschadens, der durch Stand-By-Ereignisse verursacht wird, kann auf verschiedene andere als mit den oben vorgeschlagenen Arten erzielt werden. Eine Möglichkeit ist es, den Stand-By-Betrieb überhaupt nicht zu verwenden. Das Ausschalten des Stand-By-Betriebs hat jedoch den Nachteil eines erhöhten Brennstoffverbrauchs, welcher abhängig von dem Fahrzyklus 2 % bis 7 % sein könnte. Die während des Verlassens des Stand-By-Betriebs auftretende Zellspannung, welche ein größerer Degradationstreiber ist, könnte ferner auch durch Stromentnahme aus dem Stapel 12 unterdrückt werden. Obwohl dies den Schaden reduzieren würde, bringt dies auch das Problem mit sich, wo die von dem Spannungsunterdrückungsstrom erzeugte Leistung gespeichert werden soll. Wenn die Batterie kalt oder überladen ist und keine Leistung aufnehmen kann, kann die zusätzliche Spannungsunterdrückung nicht auf den Stapel angewendet werden.
-
Wie von Fachleuten gut verstanden wird, können verschiedene oder einige Schritte und Verfahren, die hier erörtert wurden, um die Erfindung zu beschreiben, von einem Computer, einem Prozessor oder einer anderen elektronischen Recheneinheit ausgeführt werden, die mit Hilfe elektrischer Phänomene Daten manipuliert und/oder transformiert. Diese Computer und elektrischen Geräte können verschiedene flüchtige und/oder nicht flüchtige Speicher inklusive einem festen computerlesbaren Medium mit einem darauf befindlichen ausführbaren Programm beinhalten, das verschiedene Codes oder ausführbare Instruktionen beinhaltet, die von dem Computer oder Prozessor ausgeführt werden, wobei der Speicher und/oder das computerlesbare Medium alle Formen und Arten von einem Speicher und anderen computerlesbaren Medien beinhalten kann.
