DE102013226484B4 - Diagnosesystem und Verfahren für einen Brennstoffzellenstapel - Google Patents

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Abstract

Diagnosesystem eines Brennstoffzellenstapels (10), aufweisend:eine Diagnosesteuerungs-Analysevorrichtung (100), die eingerichtet ist, um einen Zustand des Brennstoffzellenstapels (10) durch Messen einer Spannung und eines Stromes des Brennstoffzellenstapels (10) zu diagnostizieren und zu analysieren;einen AC-Signalgenerator (200), der eingerichtet ist, um ein Diagnose-AC-Signal auf ein Empfangen eines Steuerbefehls von der Diagnosesteuerungs-Analysevorrichtung (100) zu erzeugen; undein AC-Komponenten-Ansteuerelement (300), das eingerichtet ist, um gemäß dem Diagnose-AC-Signal, das von dem AC-Signalgenerator (200) ausgegeben wird, angesteuert zu werden, um eine Diagnose-AC-Komponente innerhalb des Stromes von dem Brennstoffzellenstapel (10) zu umfassen,wobei das AC-Komponenten-Ansteuerelement (300) ein Leistungstransistor (TR) ist;eine AC-Strominjektionsvorrichtung (500), die eingerichtet ist, um einen AC-Strom mit dem Strom des Brennstoffzellenstapels (10) basierend auf ein Empfangen eines Steuerbefehls von der Diagnosesteuerungs-Analysevorrichtung (100) wahlweise zu überlappen; undeinen Temperatursensor (400), der eingerichtet ist, um eine Temperatur des Leistungstransistors (TR) zu erfassen,wobei die Diagnosesteuerungs-Analysevorrichtung (100) entweder den AC-Signalgenerator (200) oder die AC-Strominjektionsvorrichtung (500) auf der Grundlage der Umgebungstemperatur, die durch den Temperatursensor (400) erfasst wird, auswählt und entsprechend betreibt.

Description

  • HINTERGRUND
  • (a) Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Diagnosesystem eines Brennstoffzellenstapels, das einen Zustand und/oder einen Fehler des Brennstoffzellenstapels diagnostiziert.
  • (b) Beschreibung des Standes der Technik
  • Eine Brennstoffzelle ist eine Vorrichtung, die chemische Energie von einem Brennstoff in Elektrizität durch eine chemische Reaktion mit Sauerstoff oder einem anderen Oxidationsmittel umwandelt. Wasserstoff ist der häufigste Brennstoff, allerdings werden manchmal Kohlenwasserstoffe wie Erdgas und Alkohole wie Methanol verwendet. Brennstoffzellen unterscheiden sich insofern von Batterien, dass sie eine ständige Quelle an Brennstoff und Sauerstoff benötigen, um zu funktionieren, allerdings können sie solange elektrischen Strom erzeugen, wie diese Einspeisungen zugeführt werden. Brennstoffzellen können eine Anwendung finden, um Industrie-, Haushalts- und Fahrzeugantriebsenergie zuzuführen und auch ein kleines elektrisches/elektronisches Produkt mit Energie zu versorgen.
  • Zum Beispiel ist eine der Möglichkeiten, wie ein Fahrzeug angetrieben werden kann, ein Brennstoffzellensystem wie eine Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle oder eine Protonenenaustauschmembran-Brennstoffzelle (proton exchange membrane fuel cell - PEMFC). Diese Arten von Brennstoffzellen weisen eine höhere Energiedichte, eine schnelle Startzeit und eine schnelle Energieumwandlungs-Reaktionszeit bei niedrigeren Temperaturen auf.
  • PEMFCs umfassen typischerweise eine Membran-ElektrodenAnordnung (membrane electrode assembly - MEA), in der eine Katalysatorelektrodenschicht, in der eine elektrochemische Reaktion stattfindet, an beiden Seiten einer festen Polymerelektrolytdünnschicht, in der sich Wasserstoffionen bewegen, angebracht ist. Ebenfalls ist in der PEMFC eine Gasdiffusionsschicht (gas diffusion layer - GDL) umfasst, die Reaktionsgase gleichmäßig verteilt und die erzeugte elektrische Energie durch die Zelle überträgt. Eine Dichtung und eine Eingriffsvorrichtung sind in der Regel ebenfalls vorgesehen. Die Eingriffsvorrichtung hält einen geeigneten Eingriffsdruck und eine Luftdichtigkeit der Reaktionsgase und des Kühlmittels aufrecht. Auch ist eine Bipolarplatte vorgesehen, um die Reaktionsgase und das Kühlmittel durch die Zelle zu bewegen.
  • Beim Zusammenbauen eines Brennstoffzellenstapels werden die Gasdiffusionsschicht und die MEA in der Mitte der Zelle angeordnet. Als ein Ergebnis befinden sich die Katalysatorelektrodenschichten der MEA, d.h., eine Anode und eine Kathode, auf welche ein Katalysator aufgebracht wird, so dass Wasserstoff und Sauerstoff an beiden Oberflächen einer Polymerelektrolytdünnschicht reagieren können, an den Außenflächen der MEA. Dann werden die Gasdiffusionsschicht und eine Dichtung auf der Oberseite der Anode beziehungsweise der Kathode gestapelt.
  • An die Außenfläche der Gasdiffusionsschicht wird ein Reaktionsgas (typischerweise Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff oder Luft als Oxidationsmittel) zugeführt und eine Bipolarplatte mit einem Strömungsfeld, durch welches Kühlmittel strömt, wird darauf angeordnet. Durch Bilden einer solchen Konfiguration in einer Elementarzelle, nachdem eine Mehrzahl von Elementarzelle gestapelt ist, werden eine Endplatte zum Aufnehmen eines Stromabnehmers, eine Isolationsplatte und Stapelzellen an die äußersten Flächen des Stapels gekoppelt. Durch wiederholtes Stapeln und Eingreifen der Elementarzellen zwischen den Endplatten kann ein Brennstoffzellenstapel gebildet werden.
  • Um ein für ein zu betreibendes Fahrzeug erforderliches Potential zu erhalten, sollten die Elementarzellen entsprechend einem erforderlichen Potential gestapelt werden, um sicherzustellen, dass durch die Zellen ein ausreichendes Potential ausgegeben wird.
  • Das durch jede Elementarzelle erzeugte Potential beträgt typischerweise ungefähr 1,3 V. Somit, um Energie zu erzeugen, die zum Antreiben eines Fahrzeugs erforderlich ist, müssen eine beträchtliche Anzahl von Zellen in Reihe geschaltet werden. Somit kann ein Bestimmen während eines Fehlers, welche Zelle nicht richtig arbeitet, zeitaufwändig und manchmal schwierig sein. Somit benötigen Brennstoffzellenfahrzeuge ein Diagnosesystem, um individuelle Gerätedefekte zu identifizieren und zu bestimmen.
  • 1 zeigt ein schematisches Diagramm eines Diagnosesystems von einem Brennstoffzellenstapel gemäß einem Ausführungsbeispiel des Standes der Technik. Unter Bezugnahme auf 1 umfasst das Diagnosesystem des Brennstoffzellenstapels gemäß dem Ausführungsbeispiel des Standes der Technik eine Wechselstrom-(AC) Strominjektionsvorrichtung 20, die einen Diagnose-Wechselstrom in einen Brennstoffzellenstapel 10 injiziert, und eine Diagnoseanalysevorrichtung 30, die eine Diagnose an dem Brennstoffzellenstapel 10 durch Analysieren der Änderung in einem Wechselstrom als Ergebnis der Injektion des Diagnose-Wechselstromes durchführt.
  • Da diese Arten von Diagnosesystemen im Allgemeinen eine Diagnose durch eine Klirrfaktor-Analyse (total harmonic distortion analysis - THDA) eines Diagnose-Wechselstromsignals durchführen, umfasst die Diagnoseanalysevorrichtung 30 typischerweise einen harmonischen Analysator.
  • Wenn ein Diagnose-Wechselstrom IAC in den Brennstoffzellenstapel 10 durch die AC-Strominjektionsvorrichtung 20 injiziert wird, wird der Diagnose-Wechselstrom IAC mit einem Strom ISTACK des Brennstoffzellenstapels 10 überlappt. Demzufolge ist eine Diagnose-Wechselstrom- IAC Komponente ebenfalls in einem zu einer Last 40 fließenden Strom ILOAD enthalten.
  • Wenn der Strom ISTACK des Brennstoffzellenstapels 10 und der Diagnose-Wechselstrom IAC des AC-Strominjektionsvorrichtung 20 überlappt werden und somit die Last 40 erreichen, erfasst die Diagnoseanalysevorrichtung 30 eine Spannung von dem Brennstoffzellenstapel 10, wandelt eine Frequenz der erfassten Spannung um und analysiert diese und diagnostiziert einen Zustand und/oder einen Fehler des Brennstoffzellenstapels 10.
  • Jedoch, um eine Kollision mit einem Gleichstrom (DC-Strom) von dem Brennstoffzellenstapel 10 zu vermeiden, umfasst die AC-Strominjektionsvorrichtung 20 eines Diagnosesystems eines Ausführungsbeispiels des Standes der Technik in der Regel ebenfalls einen Entkopplungskondensator (decoupling capacitor - CT). Da der CT der AC-Strominjektionsvorrichtung 20 eine niedrige Frequenz eines Wechselstromes durchlassen sollte, sollte der CT eine beträchtlich große Kapazität aufweisen. Demzufolge wird der CT der AC-Strominjektionsvorrichtung 20 durch paralleles Koppeln von mehreren Kondensatoren mit kleiner Kapazität (CN) gebildet. Jedoch, aufgrund der großen Menge dieser Kondensatoren, die erforderlich ist, sind die Gesamtgröße des CT und die Kosten größer, als dies durch die meisten Automobilhersteller gewünscht ist. Zusätzlich, wenn ein Diagnose-Wechselstrom der AC-Strominjektionsvorrichtung 20 durch den CT fließt, kann das Diagnose-Wechselstromsignal verzerrt werden und somit kann eine präzise Diagnose nicht durchgeführt werden.
  • Die DE 100 36 572 A1 , die US 2010 / 0 286 939 A1 sowie die DE 11 2004 000 227 T5 zeigen jeweils ein Diagnosesystem eines Brennstoffzellenstapels, aufweisend: eine Diagnosesteuerungs-Analysevorrichtung, die eingerichtet ist, um einen Zustand des Brennstoffzellenstapels durch Messen einer Spannung und eines Stromes des Brennstoffzellenstapels zu diagnostizieren und zu analysieren; einen AC-Signalgenerator, der eingerichtet ist, um eine Diagnose-AC-Signal auf ein Empfangen eines Steuerbefehls von der Diagnosesteuerungs-Analysevorrichtung zu erzeugen; und ein AC-Komponenten-Ansteuerelement, das eingerichtet ist, um gemäß dem Diagnose-AC-Signal, das von dem AC-Signalgenerator ausgegeben wird, angesteuert zu werden, um eine Diagnose-AC-Komponente innerhalb des Stromes von dem Brennstoffzellenstapel zu umfassen.
  • Die oben in diesem Hintergrundabschnitt offenbarten Informationen dienen nur der Verbesserung des Verständnisses des Hintergrunds der Erfindung und sie können daher Informationen enthalten, die nicht den Stand der Technik bilden, der einem Durchschnittsfachmann in diesem Land bereits bekannt ist.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Diagnosesystem eines Brennstoffzellenstapels bereitzustellen, das in der Lage ist, den Brennstoffzellenstapel ohne Verzerrung eines Wechselstromes unter Verwendung einer vereinfachten Konfiguration durch Anlegen eines Wechselstrom-Diagnosesignals (AC-Diagnosesignals) an eine Basis eines Leistungstransistors wirtschaftlicher zu diagnostizieren, so dass ein Teil des Stromes von dem Brennstoffzellenstapel durch den Leistungstransistor in der Form einer Sinuswelle fließen kann.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein Diagnosesystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Diagnoseverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 3 und ein nichtflüchtiges computerlesbares Medium mit den Merkmalen des Anspruchs 5. Vorteilhafte Weiterbildungen finden sich in den Unteransprüchen.
  • Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung stellt ein Diagnosesystem eines Brennstoffzellenstapels bereit, umfassend: eine Diagnosesteuerungs-Analysevorrichtung, die eingerichtet ist, um einen Zustand des Brennstoffzellenstapels durch Messen einer Spannung und eines Stromes des Brennstoffzellenstapels zu diagnostizieren und zu analysieren; einen AC-Signalgenerator, der eingerichtet ist, um eine Diagnose-AC-Signal gemäß einem Steuersignal von der Diagnosesteuerungs-Analysevorrichtung zu erzeugen; und ein AC-Komponenten-Ansteuerelement, das eingerichtet ist, um gemäß einem AC-Signal, das von dem AC-Signalgenerator ausgegeben wird, angesteuert zu werden, um eine Diagnose-AC-Komponente in dem Strom von dem Brennstoffzellenstapel zu umfassen, wobei das AC-Komponenten-Ansteuerelement ein Leistungstransistor ist; eine AC-Strominjektionsvorrichtung, die eingerichtet ist, um einen AC-Strom mit dem Strom des Brennstoffzellenstapels basierend auf ein Empfangen eines Steuerbefehls von der Diagnosesteuerungs-Analysevorrichtung wahlweise zu überlappen; und einen Temperatursensor, der eingerichtet ist, um eine Temperatur des Leistungstransistors zu erfassen, wobei die Diagnosesteuerungs-Analysevorrichtung entweder den AC-Signalgenerator oder die AC-Strominjektionsvorrichtung auf der Grundlage der Umgebungstemperatur, die durch den Temperatursensor erfasst wird, auswählt und entsprechend betreibt. Genauer gesagt diagnostiziert die Diagnosesteuerungs-Analysevorrichtung den Brennstoffzellenstapel auf der Grundlage einer Spannung und eines Stromes von dem Brennstoffzellenstapel einschließlich der AC-Komponente über eine Last..
  • In dem obigen Ausführungsbeispiel kann die Diagnosesteuerungs-Analysevorrichtung eingerichtet sein, um die AC-Strominjektionsvorrichtung zu betreiben, wenn die Umgebungstemperatur gleich oder größer als eine vorgegebene Temperatur ist, und den AC-Signalgenerator zu betreiben, wenn die Umgebungstemperatur weniger als die vorgegebene Temperatur beträgt.
  • Wie oben beschrieben, kann gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, durch Anlegen des Diagnose-AC-Signals an eine Basis einer AC-Komponente (z.B. ein Leistungstransistor), so dass ein Teil des Stromes von dem Brennstoffzellenstapel durch die AC-Komponente in einer sinusförmigen Wellenform fließen kann, der Brennstoffzellenstapel ohne Verzerrung eines AC-Stromes und ohne die Verwendung eines CT wirtschaftlich diagnostiziert werden, wodurch ein einfacherer Aufbau ermöglicht wird.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
    • 1 zeigt ein beispielhaftes schematisches Diagramm eines Diagnosesystems für einen Brennstoffzellenstapel gemäß einem Ausführungsbeispiel des Standes der Technik.
    • 2 zeigt ein beispielhaftes schematisches Diagramm eines Diagnosesystems für einen Brennstoffzellenstapel gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
    • 3 zeigt ein beispielhaftes schematisches Diagramm eines Diagnosesystems für einen Brennstoffzellenstapel gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
    • 4 zeigt einen beispielhaften Graphen, der einen Betrieb für ein Diagnosesystem eines Brennstoffzellenstapels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Die vorliegende Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. Wie der Fachmann auf dem Gebiet erkennen würde, können die beschriebenen Ausführungsformen auf verschiedene Weise geändert werden, ohne von der Lehre oder dem Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
  • Es ist zu beachten, dass der Ausdruck „Fahrzeug“ oder „Fahrzeug-“ oder andere gleichlautende Ausdrücke wie sie hierin verwendet werden, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen wie z.B. Personenkraftwagen einschließlich Sports Utility Vehicles (SUV), Busse, Lastwägen, verschiedene Nutzungsfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, einschließlich einer Vielfalt von Booten und Schiffen, Luftfahrzeugen und dergleichen einschließen, und Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-In-Hybridelektrofahrzeuge, Wasserstoffangetriebene Fahrzeuge und andere Fahrzeuge mit alternativen Kraftstoff umfassen (beispielsweise Kraftstoff, der von anderen Quellen als Erdöl gewonnen wird). Wie hierin Bezug genommen wird, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, das zwei oder mehr Antriebsquellen aufweist, wie zum Beispiel sowohl benzinbetriebene als auch elektrisch angetriebene Fahrzeuge.
  • Zusätzlich versteht es sich, dass die unten beschriebenen Verfahren durch zumindest eine Steuerung (z.B. die DiagnoseAnalysevorrichtung) ausgeführt werden. Der Ausdruck Steuerung bezieht sich auf eine Hardware-Vorrichtung, die einen Speicher und einen Prozessor umfasst. Der Speicher ist eingerichtet, um Programmbefehle zu speichern, und der Prozessor ist insbesondere eingerichtet, um die besagten Programmbefehle auszuführen, um einen oder mehrere Prozesse durchzuführen, die weiter unten beschrieben werden.
  • Darüber hinaus kann die Steuerlogik der vorliegenden Erfindung als nichtflüchtige computerlesbare Medien auf einem computerlesbaren Medium ausgeführt werden, das ablauffähige Programmbefehle umfasst, die durch einen Prozessor, eine Steuerung oder dergleichen ausgeführt werden. Beispiele von computerlesbaren Speichermedien umfassen in nicht einschränkender Weise ROM, RAM, Compact-Disc (CD)-ROMs, Magnetbänder, Floppydisks, Flash-Laufwerke, Smart Cards und optische Datenspeichervorrichtungen. Das computerlesbare Aufzeichnungsmedium kann ebenfalls in netzgekoppelten Computersystemen dezentral angeordnet sein, so dass das computerlesbare Medium in einer verteilten Art und Weise gespeichert und ausgeführt wird, z.B. durch einen Telematik-Server oder ein Controller Area Network (CAN).
  • Ferner ist die hierin verwendete Terminologie zum Zwecke der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen vorgesehen und ist nicht dazu bestimmt, die Erfindung einzuschränken. Wie hierin verwendet, sind die Singularformen „ein“, „eine/einer“ und „der/die/das“ dazu vorgesehen, dass sie ebenso die Pluralformen umfassen, wenn aus dem Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes hervorgeht. Es versteht sich ferner, dass die Ausdrücke „aufweisen“ und/oder „aufweisend“, wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, die Anwesenheit der angegebenen Merkmale, Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Komponenten beschreiben, aber nicht das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einen oder mehreren Merkmalen, Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließen. Wie hierin verwendet, umfasst der Ausdruck „und/oder“ jede und sämtliche Kombinationen von einem oder mehreren der zugeordneten aufgeführten Elemente.
  • Sofern nicht ausdrücklich angegeben oder aus dem Kontext ersichtlich, wird der Begriff „ungefähr“, wie er hierin verwendet wird, derart verstanden, dass er innerhalb eines Bereichs mit normgemäßer Toleranz im Stand der Technik liegt, zum Beispiel innerhalb 2 Standardabweichungen der Mittelwerte. „Ungefähr“ kann derart verstanden werden, dass es innerhalb 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0,5%, 0,1%, 0,05% oder 0,01% des angegebenen Werts liegt. Soweit es sich nicht anderweitig aus dem Kontext ergibt, werden alle hierin bereitgestellten numerischen Werte durch den Begriff „ungefähr“ verändert.
  • Ferner beziehen sich in der gesamten Beschreibung gleiche Bezugszeichen auf gleiche Elemente.
  • Eine ausführliche Beschreibung des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung wird nun ausführlicher beschrieben.
  • 2 zeigt ein beispielhaftes schematisches Diagramm eines Diagnosesystems für einen Brennstoffzellenstapel gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Ein Diagnosesystem eines Brennstoffzellenstapels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein System, das den Brennstoffzellenstapel durch Anlegen eines Diagnose-AC-Signals an eine Basis eines Leistungstransistors diagnostiziert, so dass ein Teil eines Stromes des Brennstoffzellenstapels in einer Sinuswellenform durch den Leistungstransistor fließen kann.
  • Das Diagnosesystem eines Brennstoffzellenstapels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst: eine Diagnosesteuerungs-Analysevorrichtung 100, die eingerichtet ist, um einen Zustand des Brennstoffzellenstapels 10 durch Messen einer Spannung VSTACK und eines Stromes ISTACK des Brennstoffzellenstapels 10 und einer Frequenz der Spannung VSTACK und des Stromes ISTACK zu diagnostizieren und zu analysieren; einen AC-Signalgenerator 200, der eingerichtet ist, um ein Diagnose-AC-Signal IBASE auf der Grundlage eines Befehls (z.B. Signal) von der Diagnosesteuerungs-Analysevorrichtung 100 zu erzeugen; und ein AC-Komponenten-Ansteuerelement 300, das eingerichtet ist, um gemäß einem AC-Signal, das von dem AC-Signalgenerator 200 ausgegeben wird, angesteuert zu werden, um eine Diagnose-AC-Komponente in einem Strom ISTACK des Brennstoffzellenstapels 10 zu umfassen.
  • In dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die Diagnosesteuerungs-Analysevorrichtung 100 einer herkömmlichen Diagnoseanalysevorrichtung 30 (wie in 1 dargestellt) entsprechen. Die Diagnosesteuerungs-Analysevorrichtung 100 diagnostiziert den Brennstoffzellenstapel 10 auf der Grundlage eines Stromes und einer Spannung, die von dem Brennstoffzellenstapel 10, der eine AC-Komponente umfasst, über eine Last 40 empfangen werden.
  • In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann das AC-Komponenten-Ansteuerelement 300 zum Beispiel als ein Leistungstransistor (TR) gebildet sein. Es sollte jedoch beachtet werden, dass die vorliegende Erfindung nicht nur auf Leistungstransistoren beschränkt ist und andere Komponenten verwendet werden können. Somit können andere Konfigurationen, die im Wesentlichen dem TR entsprechen können, in dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
  • 3 zeigt ein beispielhaftes schematisches Diagramm eines Diagnosesystems für einen Brennstoffzellenstapel gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In diesem Ausführungsbeispiel ist ferner eine AC-Strominjektionsvorrichtung 500 in der in 3 dargestellten Konfiguration umfasst, die in der in 2 dargestellten Konfiguration nicht umfasst ist. Die AC-Strominjektionsvorrichtung 500 kann die gleiche wie die sein, die in der Beschreibung des Standes der Technik beschrieben wird. Als solches überlappt die AC-Strominjektionsvorrichtung 500 den AC-Strom IAC mit dem Strom ISTACK des Brennstoffzellenstapels 10. In vorteilhafter Weise kann durch Umfassen von sowohl der AC-Strominjektionsvorrichtung 500 und des TR die AC-Strominjektionsvorrichtung anstelle des TR verwendet werden, wenn eine Verwendung des TR für das Gesamtsystem nicht vorteilhaft sein würde. Insbesondere, weil eine beträchtliche Wärmemenge durch den TR erzeugt wird, kann die in 2 dargestellte Konfiguration im Winter geeignet sein, aber kann sich im Sommer als ungeeignet erweisen. Somit kann während dieses Zeitraumes die AC-Strominjektionsvorrichtung verwendet werden. Hierzu kann ein Temperatursensor 400, der eine Umgebungstemperatur des Brennstoffzellenstapels 10 erfassen kann, eine Anwendung finden und basierend auf der erfassten Temperatur kann das System entsprechend betrieben werden.
  • Als solches, kann in 3 die Diagnosesteuerungs-Analysevorrichtung 100 entweder den AC-Signalgenerator 200 oder die AC-Strominjektionsvorrichtung 500 auf der Grundlage der Umgebungstemperatur des Brennstoffzellenstapels 10, die durch den Temperatursensor 400 erfasst wird, auswählen und betreiben. Zum Beispiel kann die Diagnosesteuerungs-Analysevorrichtung 100 die AC-Strominjektionsvorrichtung 500 betreiben, wenn die Umgebungstemperatur gleich oder größer als eine vorgegebene Temperatur (z.B. 30 °C) ist, und den AC-Signalgenerator 200 betreiben, wenn die Umgebungstemperatur weniger als die vorgegebene Temperatur beträgt. Die Diagnosesteuerungs-Analysevorrichtung 100, der AC-Signalgenerator 200 und die AC-Strominjektionsvorrichtung 500 können mit zumindest einem Mikroprozessor oder Prozessor gebildet werden, der eingerichtet ist, um über ein vorgegebenes Programm oder Hardware die Steueroperationen der vorliegenden Erfindung zu betreiben. Ferner können die Diagnosesteuerungs-Analysevorrichtung 100, der AC-Signalgenerator 200 und die AC-Strominjektionsvorrichtung 500 als ein integrierter Körper gebildet werden, um die Größe der gesamten Vorrichtung weiter zu verringern.
  • Nachstehend wird ein Betrieb eines Diagnosesystems von einem Brennstoffzellenstapel gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 2 bis 4 ausführlich beschrieben.
  • Wenn die Diagnose des Brennstoffzellenstapels 10 gestartet wird, bestimmt die Diagnosesteuerungs-Analysevorrichtung 100 auf der Grundlage eines Signals von dem Temperatursensor 400, ob eine Umgebungstemperatur des Brennstoffzellenstapels 10 gleich oder größer als die vorgegebene Temperatur ist. Wenn die Umgebungstemperatur des Brennstoffzellenstapels 10 weniger als die vorgegebene Temperatur beträgt, erzeugt der AC-Signalgenerator 200 ein AC-Signal IBASE, so dass ein Absorptionsstrom IINAC zu dem TR fließen kann und legt das AC-Signal IBASE an eine Basis des TR gemäß den Steuerbefehlen oder Signalen von der Diagnosesteuerungs-Analysevorrichtung 100 an, wie dies in 4 dargestellt ist.
  • Es kann eine deutlich geringere Leistung an der Basis des TR zugeführt werden. Insbesondere das an die Basis des TR angelegte AC-Signal IBASE ist ein Strom eines Verstärkungsbereichs und wird gesteuert/geregelt, um zu einem Basisstrom durch ein Verstärkungsverhältnis zu fließen. Wenn die Umgebungstemperatur des Brennstoffzellenstapels 10 weniger als die vorgegebene Temperatur beträgt, kann die Diagnosesteuerungs-Analysevorrichtung 100 den Betrieb der AC-Strominjektionsvorrichtung 500 stoppen. Wenn der AC-Signalgenerator 200 das AC-Signal IBASE an den TR anlegt, weil der Absorptionsstrom IINAC zu dem TR fließt, wird die AC-Komponente in dem Strom ISTACK umfasst, wie dies in 4 dargestellt wird. Wenn die AC-Komponente in dem Strom ISTACK enthalten ist, wird eine AC-Komponente in einem zu der Last 40 fließenden Laststrom ILOAD umfasst.
  • Wie oben beschrieben, da der Absorptionsstrom IINAC über ein Ansteuern des TR erzeugt wird, wenn die AC-Komponente (z.B. AC-Strom) in dem Strom ISTACK des Brennstoffzellenstapels 10 enthalten ist, analysiert die Diagnosesteuerungs-Analysevorrichtung 100 eine Frequenz des Stromes und/oder einer Spannung des Brennstoffzellenstapels 10, in denen die AC-Komponente enthalten ist, durch ein allgemeines Diagnoseverfahren und diagnostiziert einen Fehler und/oder einen Zustand des Brennstoffzellenstapels 10.
  • Ein Verfahren zum Diagnostizieren eines Brennstoffzellenstapels durch einen Strom und/oder eine Spannung eines Brennstoffzellenstapels, in denen die AC-Komponente (z.B. ein AC-Strom) enthalten ist, kann einem allgemeinen Verfahren oder einem Verfahren des Standes der Technik folgen. Ferner, wenn die Umgebungstemperatur des Brennstoffzellenstapels 10 gleich oder größer als die vorgegebene Temperatur ist, erzeugt die AC-Strominjektionsvorrichtung 500 einen Diagnose-AC-Strom und überlappt den erzeugten Diagnose-AC-Strom mit dem Strom ISTACK des Brennstoffzellenstapels 10 gemäß der Steuerung der Diagnosesteuerungs-Analysevorrichtung 100. Dann wird die Diagnose des Brennstoffzellenstapels 10 durch Prozesse durchgeführt, wie sie im Stand der Technik oder wie oben beschrieben werden.
  • Wenn die Umgebungstemperatur des Brennstoffzellenstapels 10 gleich oder größer als die vorgegebene Temperatur ist, kann die Diagnosesteuerungs-Analysevorrichtung 100 den Betrieb des AC-Signalgenerators 200 stoppen. Demzufolge kann gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung durch Anlegen eines AC-Signals für eine Diagnose an eine Basis eines Leistungstransistors, so dass ein Teil eines Stromes eines Brennstoffzellenstapels in einer Sinuswellenform durch den Leistungstransistor fließen kann, ein Brennstoffzellenstapel ohne Verzerrung eines AC-Stromes mit einer einfachen Konfiguration wirtschaftlich diagnostiziert werden.
  • Während diese Erfindung in Verbindung mit dem beschrieben worden ist, was gegenwärtig als praktische Ausführungsbeispiele erachtet werden, versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern im Gegensatz dazu vorgesehen ist, um verschiedene Abänderungen und äquivalente Anordnungen abzudecken, die innerhalb der Lehre und des Umfangs der beigefügten Ansprüche umfasst sind.
  • <Beschreibung der Bezugszeichen>
    • 10
    Brennstoffzellenstapel
    100
    Diagnosesteuerungs-Analysevorrichtung
    200
    AC-Signalgenerator
    300
    AC-Komponenten-Ansteuerelement
    400
    Temperatursensor
    500
    AC-Strominjektionsvorrichtung
    TR
    Leistungstransistor

Claims (5)

  1. Diagnosesystem eines Brennstoffzellenstapels (10), aufweisend: eine Diagnosesteuerungs-Analysevorrichtung (100), die eingerichtet ist, um einen Zustand des Brennstoffzellenstapels (10) durch Messen einer Spannung und eines Stromes des Brennstoffzellenstapels (10) zu diagnostizieren und zu analysieren; einen AC-Signalgenerator (200), der eingerichtet ist, um ein Diagnose-AC-Signal auf ein Empfangen eines Steuerbefehls von der Diagnosesteuerungs-Analysevorrichtung (100) zu erzeugen; und ein AC-Komponenten-Ansteuerelement (300), das eingerichtet ist, um gemäß dem Diagnose-AC-Signal, das von dem AC-Signalgenerator (200) ausgegeben wird, angesteuert zu werden, um eine Diagnose-AC-Komponente innerhalb des Stromes von dem Brennstoffzellenstapel (10) zu umfassen, wobei das AC-Komponenten-Ansteuerelement (300) ein Leistungstransistor (TR) ist; eine AC-Strominjektionsvorrichtung (500), die eingerichtet ist, um einen AC-Strom mit dem Strom des Brennstoffzellenstapels (10) basierend auf ein Empfangen eines Steuerbefehls von der Diagnosesteuerungs-Analysevorrichtung (100) wahlweise zu überlappen; und einen Temperatursensor (400), der eingerichtet ist, um eine Temperatur des Leistungstransistors (TR) zu erfassen, wobei die Diagnosesteuerungs-Analysevorrichtung (100) entweder den AC-Signalgenerator (200) oder die AC-Strominjektionsvorrichtung (500) auf der Grundlage der Umgebungstemperatur, die durch den Temperatursensor (400) erfasst wird, auswählt und entsprechend betreibt.
  2. Diagnosesystem nach Anspruch 1, wobei die Diagnosesteuerungs-Analysevorrichtung (100) die AC-Strominjektionsvorrichtung (500) betreibt, wenn die Umgebungstemperatur gleich oder größer als eine vorgegebene Temperatur ist, und den AC-Signalgenerator (200) betreibt, wenn die Umgebungstemperatur weniger als die vorgegebene Temperatur beträgt.
  3. Diagnoseverfahren für einen Brennstoffzellenstapel (10), aufweisend: Diagnostizieren und Analysieren, durch einen Prozessor, eines Zustandes des Brennstoffzellenstapels (10) durch Messen einer Spannung und eines Stromes des Brennstoffzellenstapels (10); Erzeugen, durch einen AC-Signalgenerator (200), eines Diagnose-AC-Signal auf ein Empfangen eines Steuersignals von der Diagnosesteuerungs-Analysevorrichtung (100); und Ansteuern eines AC-Komponenten-Ansteuerelements (300) auf ein Empfangen des Diagnose-AC-Signals, das von dem AC-Signalgenerator (200) ausgegeben wird, um eine Diagnose-AC-Komponente innerhalb des Stromes von dem Brennstoffzellenstapel (10) zu umfassen, wobei das AC-Komponenten-Ansteuerelement (300) ein Leistungstransistor (TR) ist; ein wahlweises Betreiben einer AC-Strominjektionsvorrichtung (500), um einen AC-Strom mit dem Strom des Brennstoffzellenstapels (10) auf ein Empfangen eines Steuerbefehls von der Diagnosesteuerungs-Analysevorrichtung (100) zu überlappen, einen Temperatursensor (400), der eingerichtet ist, um eine Temperatur des Leistungstransistors (TR) zu erfassen, wobei die Diagnosesteuerungs-Analysevorrichtung (100) entweder den AC-Signalgenerator (200) oder die AC-Strominjektionsvorrichtung (500) auf der Grundlage der Umgebungstemperatur, die durch den Temperatursensor (400) erfasst wird, auswählt und entsprechend betreibt.
  4. Diagnoseverfahren nach Anspruch 3, ferner aufweisend: Betreiben der AC-Strominjektionsvorrichtung (500), wenn die Umgebungstemperatur gleich oder größer als eine vorgegebene Temperatur ist, und Betreiben des AC-Signalgenerators (200) anstatt der AC-Strominjektionsvorrichtung (500), wenn die Umgebungstemperatur weniger als die vorgegebene Temperatur beträgt.
  5. Nichtflüchtiges computerlesbares Medium, das Programmbefehle umfasst, die durch einen Prozessor ausgeführt werden, das computerlesbare Medium aufweisend: Programmbefehle, die einen Zustand des Brennstoffzellenstapels (10) durch Messen einer Spannung und eines Stromes des Brennstoffzellenstapels (10) diagnostizieren und analysieren; Programmbefehle, die ein Diagnose-AC-Signal auf ein Empfangen eines Steuerbefehls erzeugen; und Programmbefehle, die ein AC-Komponenten-Ansteuerelement (300) durch Erzeugen des Diagnose-AC-Signals, das von dem AC-Signalgenerator (200) ausgegeben wird, ansteuern, um eine AC-Komponente für eine Diagnose in dem Strom von dem Brennstoffzellenstapel (10) zu umfassen, wobei das AC-Komponenten-Ansteuerelement (300) ein Leistungstransistor (TR) ist; Programmbefehle, die einen AC-Strom mit dem Strom von dem Brennstoffzellenstapel (10) durch Ausgeben eines Steuerbefehls wahlweise überlappen; Programmbefehle, die entweder einen AC-Signalgenerator (200) oder eine AC-Strominjektionsvorrichtung (500) auf der Grundlage der Umgebungstemperatur, die durch einen Temperatursensor (400) erfasst wird, auswählen und entsprechend betreiben; und Programmbefehle, die die AC-Strominjektionsvorrichtung (500) betreiben, wenn die Umgebungstemperatur gleich oder größer als eine vorgegebene Temperatur ist, und den AC-Signalgenerator (200) betreiben, wenn die Umgebungstemperatur weniger als die vorgegebene Temperatur beträgt.
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