-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Ionentauschers für ein Brennstoffzellensystem eines Fahrzeugs, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Weiterhin betrifft die Erfindung auch eine Vorrichtung zur Überwachung eines Ionentauschers für ein Brennstoffzellensystem eines Fahrzeugs, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 4.
-
STAND DER TECHNIK
-
Aus der Druckschrift
US 2010/0261084 A1 ist ein Verfahren zur Messung eines Isolationswiderstandes bekannt. Hierbei wird ein absoluter Messwert des Isolationswiderstandes zwischen der Brennstoffzelle und einem Außenleiter ermittelt. Aus dem ermittelten Isolationswiderstand kann dann analytisch ein Rückschluss auf die Funktionsfähigkeit des Ionentauschers erfolgen. Als nachteilig hat sich allerdings herausgestellt, dass zur exakten Bestimmung der Funktionsfähigkeit des Ionentauschers die gesamte Geometrie des Kühlmittelkreislaufes bekannt sein muss, wobei die Geometrie regelmäßig komplexe Ausmaße annimmt. Dieses hat zur Folge, dass eine exakte Bestimmung der Funktionsfähigkeit des Ionentauschers mit großen Unsicherheiten verbunden ist.
-
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
-
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung und der Bestimmung der Funktionsfähigkeit eines Ionentauschers bereitzustellen, wobei das Verfahren und die Vorrichtung messtechnisch einfach und zuverlässig aufgebaut sind, was eine schnelle und genaue Analyse zur Aussage einer Funktionsfähigkeit des Ionentauschers ermöglicht. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, dass ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitgestellt wird, das mit Standardkomponenten eines Brennstoffzellensystems auskommt, insbesondere dass das Verfahren und die Vorrichtung ohne einen direkten Leitfähigkeitssensor ausgestaltet sind.
-
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 4 vorgeschlagen, insbesondere mit den Merkmalen des jeweiligen kennzeichnenden Teils. In den abhängigen Ansprüchen sind bevorzugte Weiterbildungen ausgeführt. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils für sich oder in Kombination erfindungswesentlich sein. Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, gelten dabei selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und umgekehrt. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln oder in Kombination erfindungswesentlich sein.
-
Die Erfindung offenbart ein Verfahren zur Überwachung eines Ionentauschers, wobei das Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstapel, ein Ventil und ein Kühlmittel in einem Kühlmittelkreislauf aufweist, wobei über das Ventil der Ionentauscher zur Deionisierung des Kühlmittels zum Kühlmittelkreislauf zugeschaltet wird und über eine Messvorrichtung eine Isolationswiderstandsmessung zwischen einer Fahrzeugmasse des Fahrzeugs und einem elektrischen Kontakt des Brennstoffzellenstapels erfolgt. Erfindungsgemäß ist hierbei vorgesehen, dass die Isolationswiderstandsmessung mit der Zuschaltung des Ionentauschers in den Kühlmittelkreislauf über ein definiertes Zeitfenster erfolgt, wobei der endgültige Isolationswiderstand nach Ablauf des Zeitfensters ermittelt wird und der ermittelte Isolationswiderstand als Kennwert zur Beurteilung einer Funktionsfähigkeit des Ionentauschers herangezogen wird. Eine analytische Ermittlung zwischen dem Isolationswiderstand und einer Leitfähigkeit des Kühlmittels und/oder der vorhandenen Kühlkreislaufgeometrie kann damit unterbleiben. Zudem ist eine Kenntnis der Isolationswiderstände aller Komponenten im Brennstoffzellensystem nicht von Bedeutung. Durch ein Zuschalten des Ionentauschers wird das Kühlmittel deionisiert, wodurch die Leitfähigkeit des Kühlmittels verringert wird. Ein funktionsfähiger Ionentauscher ist dabei in der Lage, das Kühlmittel derart zu deionisieren, dass innerhalb eines bestimmten Zeitfensters ein bestimmter Isolationswiderstandswert erreicht wird. Je größer das Zeitfenster gewählt wird, desto größer ist ein Anstieg des Isolationswiderstands zu verzeichnen. Als Zeitfenster wird eine vordefinierte Zeitdauer vom Zuschalten des Ionentauschers und Beginn der Isolationswiderstandmessung bis zum Zeitpunkt des Endes der Isolationswiderstandmessung verstanden. Auch kann der Ionentauscher auch bereits zugeschaltet sein, wenn die vordefinierte Zeitdauer und damit das Zeitfenster für die Messung beginnt. In diesem Zeitfenster arbeitet der Ionentauscher permanent, um die eventuell eingetragenen Ionen im Kühlkreislauf wieder herauszufiltern. Bei der Messung wird der Isolationswiderstand, welcher in Ohm gemessen wird, über die Dauer des Zeitfensters eine Sättigung erreichen, bzw. in eine konstante Phase übergehen. Ein funktionierender Ionentauscher zeichnet sich dementsprechend dadurch aus, dass der Isolationswiderstand schneller in eine konstante Phase geht, als bei einem nichtfunktionsfähigen bzw. nicht ordnungsgemäß funktionsfähigen Ionentauscher. Der Zustand des Ionentauschers wird dementsprechend nicht aus den Absolutwerten der Isolationsüberwachung der einzelnen Komponenten des Brennstoffzellensystems beurteilt.
-
Besonders vorteilhaft ist es, dass ein definierter Grenzwert für den Isolationswiderstand nach Ablauf eines definierten Zeitfensters durch die Messvorrichtung herangezogen wird, wobei bei einem Überschreiten des Grenzwertes die Funktionsfähigkeit des Ionentauschers in dem Kühlmittelkreislauf durch die Messvorrichtung als gegeben definiert wird. Diese Information über einen funktionsfähigen Ionentauscher kann dem Nutzer des Fahrzeuges über eine Kontrollleuchte visuell und/oder akustisch angezeigt werden. Es ist ebenfalls denkbar, dass diese Information an ein Bussystem, welches im Fahrzeug verbaut sein kann, übergeben wird. Damit können weitere Aktionen anderer Komponenten, welche mit dem Bussystem in Verbindung stehen, erfolgen. So kann z.B. über eine Rechnereinheit ein Log-Datei aufgezeichnet und gespeichert werden, in der die Funktionsfähigkeit des Ionentauschers mit Datumsstempel gespeichert wird.
-
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass bei einer Unterschreitung des Grenzwertes des Isolationswiderstandes nach Ablauf eines definierten Zeitfensters die Funktionsfähigkeit des Ionentauschers in dem Kühlmittelkreislauf als nicht gegeben definiert wird. Damit kann ein einfacher Trigger gesetzt werden, wobei weitere Aktionen durch die Messvorrichtung initiiert werden können, wie z. B. das Ausschalten des Ionentauschers, wenn der Ionentauscher als nicht funktionsfähig definiert worden ist. Auch die Abschaltung des Brennstoffzellenstapels ist dabei denkbar. Diese Aktionen können über verschiedene Schnittstellen der Messvorrichtung ausgeführt werden. Die Messvorrichtung kann dabei in einem bestehenden Bussystem des Fahrzeugs integriert sein, wobei verschiedene Aktionen anderer im Bussystem integrierter Komponenten erfolgen können. So können zusätzliche alle elektrischen Verbraucher von der Brennstoffzelle getrennt werden, um den in dem Fahrzeug möglich enthaltenen Energiespeicher zu schonen. Zudem ist es denkbar, dass der Status des Ionentauschers durch die Messvorrichtung an eine visuelle und/oder akustische Einheit im Fahrzeuginnenraum für den Nutzer des Fahrzeuges angezeigt werden kann. Demnach kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahrens der Ionentauscher abgeschaltet werden. Die Abschaltung kann dabei direkt von der Messvorrichtung erfolgen. Auch ist es denkbar dass die Abschaltung durch eine Komponente erfolgt, welche sich in dem Bussystem befindet. Demnach wird in Abhängigkeit von dem ermittelten Isolationswiderstandes, der mit dem vorgegebenen Grenzwert verglichen wird, bei einem Unterschreiten des vorgegebenen Grenzwertes ein Fehlersignal erzeugt, welches von der Messvorrichtung an die weitere Fahrzeugelektronik ausgebbar ist. Ebenfalls ist es denkbar, dass der Grenzwert des Isolationswiderstandes in Abhängigkeit des Zustandes des Brennstoffzellensystems durch die Messvorrichtung während des Betriebs festgelegt wird. Damit kann eine dynamische Anpassung des Grenzwertes für verschiedene Zustände des Brennstoffzellenstapels durch die Messvorrichtung erfolgen. Als Zustände des Brennstoffzellenstapels können damit z.B. die Anlaufphase, die Betriebsphase oder die Abschaltphase des Brennstoffzellenstapels betrachtet werden.
-
Die Dauer des Zeitfensters liegt zweckmäßiger Weise in dem Bereich 1 min bis 10 min, um ein sehr zuverlässiges Messergebnis für die Beurteilung der Funktionsfähigkeit des Ionentauschers zu erhalten. Vorteilhafterweise beträgt die Dauer des Zeitfensters 10 s bis 2 min, um ein schnelles Messergebnis für die Beurteilung der Funktionsfähigkeit des Ionentauschers zu erreichen.
-
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch eine Vorrichtung zur Überwachung eines Ionentauschers für ein Brennstoffzellensystem eines Fahrzeugs gemäß dem Patentanspruch 4, wobei das Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstapel, ein Ventil und ein Kühlmittel in einem Kühlmittelkreislauf aufweist, wobei über das Ventil der Ionentauscher zur Deionisierung des Kühlmittels zum Kühlmittelkreislauf zuschaltbar ist und über eine Messvorrichtung eine Isolationswiderstandsmessung zwischen einer Fahrzeugmasse des Fahrzeugs und einem elektrischen Kontakt des Brennstoffzellenstapels durchführbar ist. Dazu ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Isolationswiderstandsmessung über ein definiertes Zeitfenster mit der Zuschaltung des Ionentauschers in den Kühlmittelkreislauf durchführbar ist, wobei der endgültige Isolationswiderstand nach Ablauf des Zeitfensters ermittelbar ist und der ermittelte Isolationswiderstand als Kennwert zur Beurteilung einer Funktionsfähigkeit des Ionentauschers verwertbar ist. Dabei ist die Vorrichtung nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1–3 betreibbar.
-
Besonders vorteilhaft ist, dass der Kühlmittelkreislauf ein Filter aufweist, der das Kühlmittel bei einer Durchströmung reinigt. Das Filter kann dabei unerwünschte Feststoffe, die sich in dem Kühlmittel befinden, ausfiltern. Dabei können verschiedene Filtrationstechniken angewandt werden, wie z. B. die Kuchenfiltration, die Tiefenfiltration oder auch die Querstromfiltration. Auch sind dabei verschiedene Filtermedien einsetzbar, wie z. B. Filze, poröse Festkörper, Gewebe oder auch Papier. Dabei können verschiedenste Materialien zum Einsatz kommen, z. B. Kunstfasern, keramische Fasern, Glasfasern oder auch Metalle.
-
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass der Ionentauscher parallel zu einer Pumpeneinheit eingeordnet ist, wobei die Pumpeneinheit zur Umwälzung des Kühlmittels in den Kühlmittelkreislauf angeordnet ist. Damit wird es ermöglicht, dass der Ionentauscher nur im Bedarfsfall durch das Ventil zu- und abschaltbar ist. Eine permanente Durchströmung des Ionentauschers kann dadurch vermieden werden. Zudem kann der Strömungswiderstand gegenüber einem in Reihe geschalteten Ionentauscher verringert werden, wobei die Umwälzung des Kühlmittels in dem Kühlmittelkreislauf verbessert wird. Zudem ist ein einfacherer Austausch des Ionentauschers im Kühlmittelkreislauf möglich.
-
Es ist vorteilhaft, dass ein Ausgleichsbehälter an dem Kühlmittelkreislauf angeordnet ist. Hierdurch kann eine genügend große Kühlmittelmenge bevorratet werden, damit die Ionenkonzentration nicht zu schnell ansteigt und das Kühlmittel ausgewechselt werden muss. Weiterhin können entstehende Gase dem Ausgleichsbehälter zugeführt und durch diesen abgeführt werden. Der Ausgleichsbehälter kann ein Überdruckventil aufweisen, wodurch ein zu hoher Druck vermieden werden kann.
-
Es ist vorteilhaft, dass eine Kühlereinheit in dem Kühlkreislauf angeordnet ist, welche durch ein zweites Ventil zu- oder abschaltbar ist. Bei der Elektrifizierung eines Antriebstrangs im Fahrzeug wird zur Begrenzung der Ströme bei hohen Leistungen auf größere Spannungslagen gegangen. Das Hochvoltnetz im Fahrzeug wird gegenüber der Fahrzeugkarosserie und dem Niederspannungsnetz, meist 12 Volt, isoliert ausgeführt. Ein Fahrzeug mit einer Brennstoffzelle produziert neben der eigentlichen Nutzenergie auch Verlustleistungen, die mittels Kühlmittel an die Umgebung abgeführt werden müssen. Damit das Kühlmittel in dem Kühlkreislauf nicht über seine Siedetemperatur betrieben wird, sorgt eine Kühlereinheit zur ausreichenden Abkühlung des Kühlmittels in dem Kühlerkreislauf. In der ersten Betriebsphase des Brennstoffzellensystems hat das Kühlmittel die Temperatur der Umgebung. Damit das Brennstoffzellensystem effektiv arbeiten kann, ist eine gewisse Betriebstemperatur des Kühlmittels nötig. Durch die Abschaltung der Kühleinheit wird das Brennstoffzellensystem in die Lage versetzt, das Kühlmittel schnell und effektiv auf die gewünschte Betriebstemperatur zu bringen. Erst im Fall, dass das Kühlmittel eine gewisse kritische Temperatur überschritten hat, kann die Kühleinheit durch das zweite Ventil zugeschaltet werden. Bei der Kühleinheit kann es sich um einen Wärmetauscher handeln, der über einen Bypass über das zweite Ventil zu dem Kühlmittelkreislauf hinzugeschaltet werden kann.
-
Weitere Maßnahmen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen:
-
1 eine schematische Ansicht eines Kühlerkreislauf eines Brennstoffzellensystems und
-
2 ein Diagramm, welches mehrere Messkurven von Isolationswiderständen darstellt.
-
Es wird darauf hingewiesen, dass gleiche Bezugszeichen die gleichen technischen Merkmale in den Ausführungsbeispielen wiedergeben.
-
In 1 ist schematisch die Struktur eines Kühlerkreislaufs 16 eines Brennstoffzellensystems 1 dargestellt. Ein Brennstoffzellenstapel 12 ist dabei strömungstechnisch mit einem Filter 20 verbunden. Eine Pumpeneinheit 22 fördert ein Kühlmittel durch das Filter 20 zur Kühlung des Brennstoffzellenstapels 12, welcher ebenfalls mit dem Kühlmittel durchströmt wird. Alle Komponenten, die der Kühlkreislauf 16 aufweist, sind über eine Verrohrung miteinander verbunden, wobei das Kühlmittel über die Verrohrung durch die Komponenten strömen kann. Dies gilt ebenfalls für alle nachfolgenden genannten Komponenten, die im Kühlmittelkreislauf 16 angeordnet sind. Das Kühlmittel, das aus der Brennstoffzelle 12 geordnet in den Kühlmittelkreislauf 16 zugeführt wird, kann dabei in einer Kühleinheit 30 gekühlt werden. Die Kühleinheit 30 ist über ein zweites Ventil 26 zu dem Kühlkreislauf 16 zu- oder abschaltbar. Ein Ionentauscher 10, der in Reihe mit einem Ventil 14 strömungstechnisch verbunden ist, sorgt für eine Deionisierung des Kühlmittels in dem Kühlmittelkreislauf 16. Dabei kann über das Ventil 14 der Ionentauscher 10 zu- und abgeschaltet werden. Der Ionentauscher 10 mit dem Ventil 14 ist dabei strömungstechnisch parallel zu der Pumpeneinheit 22 geschaltet. Dadurch kann eine ständige Durchströmung des Ionentauschers 10 durch das Ventil 14 vermieden werden. Ein Ausgleichsbehälter 24 ist dabei an der Kühleinheit 30 und dem Kühlmittelkreislauf 16 verbunden. Dieser kann verschieden groß dimensioniert sein, so dass eine dadurch bevorratete Kühlmittelmenge zusätzlich zu der Menge des Kühlmittels in dem Kühlmittelkreislauf gebracht werden kann. Durch eine Messvorrichtung 18 kann zwischen einer Fahrzeugmasse und einem elektrischen Kontakt des Brennstoffzellenstapels 12 der Isolationswiderstand gemessen werden.
-
In 2 werden beispielhaft Messkurven von Isolationswiderständen in einem Zeitdiagramm dargestellt. Die Leitfähigkeit des Kühlmittels hat einen direkten Einfluss auf den Isolationswiderstand R, da die Rohre des Kühlmittelkreislaufs mit der Fahrzeugmasse verbunden sind. Um allerdings aus dem Wert des Isolationswiderstandes auf die Leitfähigkeit zu schließen, muss die Kühlmittelkreislaufgeometrie, welche komplex sein kann, bestimmbar sein. Dies kann sich u. U. als sehr schwierig gestalten. Zudem ist mit großen Unsicherheiten zu rechnen. Aus diesem Grund kann ein Zustand des Ionentauschers nicht aus den Absolutwerten einer Isolationsüberwachung beurteilt werden. Die Ionen im Kühlmittel reichern sich nur sehr langsam an. Deshalb wird der Ionentauscher 10 im Normalbetrieb nicht durchströmt, d. h., das Ventil 14 ist geschlossen. Wird mit der Messvorrichtung 18 ein zu niedriger Wert des Isolationswiderstandes ermittelt, so wird das Ventil 14 geöffnet und der Ionentauscher 10 senkt die Leitfähigkeit des Kühlmittels ab. Bei Erreichen eines definierten Normalwertes wird das Ventil 14 wieder geschlossen. Aus einem zeitlichen Verlauf des Isolationswiderstandswertes kann der Zustand des Ionentauschers 10 beurteilt werden. Im Neuzustand können die Ionen noch sehr gut herausgefiltert werden. Mit zunehmender Alterung des Ionentauschers 10 verschlechtert sich diese Fähigkeit, wodurch sich die Zeit bis zum Erreichen des gewünschten Isolationswiderstandes vergrößert. Dauert dies zu lange, bzw. wird dieser Zielwert nicht mehr erreicht, so muss der Ionentauscher 10 gewechselt werden. Die Parametrisierung des Grenzwertes hängt dabei von den in den Kühlmittelkreislauf 16 integrierten Komponenten ab. In dem Messdiagramm ist ein Grenzwert des Isolationswiderstands 50 und ein definiertes Zeitfenster 52 jeweils gestrichelt in dem Diagramm eingezeichnet. Dabei wird der Isolationswiderstand auf der Ordinate eingetragen und die Zeit auf der Abszisse. Eine Messkurve 42 gibt dabei exemplarisch einen Verlauf eines Isolationswiderstandswertes an. Hierbei überschreitet der Isolationswiderstand den Grenzwert 50 innerhalb des definierten Zeitfensters 52. Dies gilt ebenso für die Messkurve 44, wobei allerdings die Überschreitung des Grenzwertes 50 später erfolgt, welche aber noch in dem Zeitfenster 52 erreicht wird. Die Messkurve 46 überschreitet den Grenzwert 50 des Isolationswiderstands, allerdings erst nach dem definierten Zeitfenster 52. Bei der Messkurve 48 wird selbst der Grenzwert 50 nicht erreicht. Dies bedeutet zusammenfassend, dass die Messkurven 42 und 44 den Grenzwert 50 innerhalb des definierten Zeitfensters 52 überschreiten, womit der Ionentauscher 10 als funktionsfähig definiert wird. Die Messkurve 46 überschreitet zwar den Grenzwert 50, allerdings erst nach dem definierten Zeitfenster 52, so dass der Ionentauscher 10 als funktionsunfähig definiert wird. Die Messkurve 48 überschreitet den Grenzwert 50 selbst in ihrer Sättigung nicht, so dass dementsprechend der Ionentauscher 10 ebenfalls als funktionsunfähig eingestuft wird.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- US 2010/0261084 A1 [0002]
