DE102013226824A1

DE102013226824A1 - Diagnose- und Wärmemanagementsystem für einen Brennstoffzellenstapel

Info

Publication number: DE102013226824A1
Application number: DE102013226824.6A
Authority: DE
Inventors: Kwi Seong Jeong; Sae Hoon Kim; Uck-Soo Kim; Hyun-seok Park; Young-Hyun Lee
Original assignee: Hyundai Motor Co; Industry Academia Cooperation Foundation of Kangnam University
Current assignee: Hyundai Motor Co; Industry Academia Cooperation Foundation of Kangnam University
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2013-12-20
Publication date: 2014-07-03
Also published as: KR101448767B1; CN103904347A; US20140186734A1; KR20140085804A

Abstract

Es wird hierin ein Diagnose- und Wärmemanagementsystem für einen Brennstoffzellenstapel bereitgestellt, das eine Diagnosesteuer-Analysevorrichtung umfasst, die einen Zustand des Brennstoffzellenstapels durch Messen einer Spannung und eines Stromes des Brennstoffzellenstapels diagnostiziert und analysiert. Auch erzeugt ein AC-Signalgenerator ein Diagnose-AC-Signal sowie ein AC-Komponenten-Ansteuerelement, das in einer AC-Komponente in einem Strom des Brennstoffzellenstapels umfasst ist; bitte überprüfen). Zusätzlich wird ein Thermoelement als eine wärmeabsorbierende Vorrichtung angesteuert, wenn eine Temperatur des AC-Komponenten-Ansteuerelement gleich oder größer als eine vorgegebene Temperatur ist, und als eine wärmeabgebende Vorrichtung angesteuert, wenn eine Temperatur des AC-Komponenten-Ansteuerelements weniger als eine vorgegebene Temperatur beträgt, um eine Wärmeerzeugung in dem AC-Komponenten-Ansteuerelement zu handhaben/regeln.

Description

HINTERGRUND
(a) Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Diagnose- und Wärmemanagementsystem für einen Brennstoffzellenstapel, das einen Brennstoffzellenstapel diagnostizieren und eine Wärmeerzeugung aufgrund des Diagnoseprozesses effizient handhaben/regeln kann.
(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-Elektroden-Anordnung (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 I_AC in den Brennstoffzellenstapel 10 durch die AC-Strominjektionsvorrichtung 20 injiziert wird, wird der Diagnose-Wechselstrom I_AC mit einem Strom I_STACK des Brennstoffzellenstapels 10 überlappt. Demzufolge ist eine Diagnose-Wechselstrom-I_AC Komponente ebenfalls in einem zu einer Last 40 fließenden Strom I_LOAD enthalten.
Wenn der Strom I_STACK des Brennstoffzellenstapels 10 und der Diagnose-Wechselstrom I_AC 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 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
Die vorliegende Erfindung ist im Bestreben gemacht worden, um ein Diagnose- und Wärmemanagementsystem eines Brennstoffzellenstapels bereitzustellen, das in der Lage ist, den Brennstoffzellenstapel ohne Verzerrung eines Wechselstromes unter Verwendung einer vereinfachten Konfiguration/Anordnung durch Anlegen eines AC-Diagnosesignals an eine Basis eines Leistungstransistors, so dass ein Teil des Stromes von dem Brennstoffzellenstapel durch den Leistungstransistor in der Form einer Sinuswelle fließen kann, wirtschaftlich zu diagnostizieren, und ebenfalls in der Lage ist, ein Wärmemanagement beim Diagnostizieren des Brennstoffzellenstapels durch effizientes Handhaben/Regeln (z. B. unter Verwendung eines Thermoelements als eine wärmeabsorbierende Vorrichtung im Sommer und als eine wärmeabgebende Vorrichtung im Winter) einer Wärmeerzeugung in dem Leistungstransistor unter Verwendung des Thermoelementes beim Diagnostizieren effizient durchzuführen.
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung stellt ein Diagnose- und Wärmemanagementsystem eines Brennstoffzellenstapels bereit. Genauer gesagt eine Diagnosesteuer-Analysevorrichtung, die eingerichtet ist, um einen Zustand des Brennstoffzellenstapels durch Messen einer Spannung und eines Stromes des Brennstoffzellenstapels zu diagnostizieren und zu analysieren. Ein AC-Signalgenerator ist eingerichtet, um ein Diagnose-AC-Signal gemäß einem Empfangen eines Steuerbefehls/-Signals von der Diagnosesteuer-Analysevorrichtung zu erzeugen. Ein AC-Komponenten-Ansteuerelement kann gemäß einem AC-Signal, das von dem AC-Signalgenerator ausgegeben wird, angesteuert werden, um eine AC-Komponente für eine Diagnose in einem Strom des Brennstoffzellenstapels zu umfassen. Ebenfalls kann ein Thermoelement als eine wärmeabsorbierende Vorrichtung arbeiten, wenn die Temperatur des AC-Komponenten-Ansteuerelements gleich oder größer als eine vorgegebene Temperatur ist, und kann als eine wärmeabgebende Vorrichtung arbeiten, wenn eine Temperatur des AC-Komponenten-Ansteuerelements weniger als eine vorgegebene Temperatur beträgt, um eine Wärmeerzeugung in dem AC-Komponenten-Ansteuerelement zu handhaben/regeln. Als solches kann in einigen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung das AC-Komponenten-Ansteuerelement ein Leistungstransistor sein.
Zusätzlich kann das Diagnose- und Wärmemanagementsystem ferner eine Thermoelementsteuerung umfassen, die das Thermoelement steuert/regelt, und ein Temperatursensor kann die Temperatur des Leistungstransistors erfassen. In solchen Ausführungsformen kann die Thermoelementsteuerung das Thermoelement auf der Grundlage der Temperatur des Leistungstransistors, die durch den Temperatursensor erfasst wird, steuern/regeln.
Insbesondere kann die Thermoelementsteuerung das Thermoelement als eine wärmeabsorbierende Vorrichtung betreiben, wenn eine Temperatur des Leistungstransistors, die durch den Temperatursensor erfasst wird, gleich oder größer als eine vorgegebene Temperatur ist, und kann das Thermoelement als eine wärmeabgebende Vorrichtung betreiben, wenn eine Temperatur des Leistungstransistors, die durch den Temperatursensor erfasst wird, weniger als eine vorgegebene Temperatur beträgt.
Wie oben beschrieben, kann gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung durch Anlegen eines Diagnose-AC-Signals an eine Basis eines Leistungstransistors, so dass ein Teil eines Stromes des Brennstoffzellenstapels in einer sinusförmigen Wellenform durch einen Leistungstransistor fließen kann, der Brennstoffzellenstapel ohne Verzerrung eines Wechselstromes durch eine einfache Anordnung/Konfiguration diagnostiziert werden. Auch kann durch effizientes Handhaben/Regeln einer Wärmeerzeugung (z. B. unter Verwendung des Thermoelements als eine wärmeabsorbierende Vorrichtung im Sommer und als eine wärmeabgebende Vorrichtung im Winter) in dem Leistungstransistor unter Verwendung eines Thermoelements beim Durchführen des Diagnoseprozesses ein Wärmemanagement in effizienter Weise durchgeführt werden, während gleichzeitig der Brennstoffzellenstapel diagnostiziert 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 Diagnose- und Wärmemanagementsystems eines Brennstoffzellenstapels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt einen Graphen, der einen Betrieb eines Diagnose- und Wärmemanagementsystems eines Brennstoffzellenstapels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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 Diagnose-Analysevorrichtung) 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.
In der gesamten Beschreibung beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Elemente.
2 zeigt ein beispielhaftes schematisches Diagramm eines Diagnose- und Wärmemanagementsystems eines Brennstoffzellenstapels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Ein Diagnose- und Wärmemanagementsystem eines Brennstoffzellenstapels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung stellt ein System dar, das eine Wärmeerzeugung aufgrund des Diagnoseprozesses beim Diagnostizieren des Brennstoffzellenstapels in effizienter Weise handhabt/regelt.
Das Diagnose- und Wärmemanagementsystem eines Brennstoffzellenstapels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst eine Diagnosesteuer-Analysevorrichtung 100, die eingerichtet ist, um einen Zustand des Brennstoffzellenstapels 10 durch Messen der Spannung V_STACK und des Stromes I_STACK des Brennstoffzellenstapels 10 und der Frequenz der Spannung V_STACK und des Stromes I_STACK zu diagnostizieren und zu analysieren; einen AC-Signalgenerator 200, der eingerichtet ist, um ein Diagnose-AC-Signal I_BASE auf der Grundlage eines Befehls (z. B. Signal) von der Diagnosesteuer-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 I_STACK des Brennstoffzellenstapels 10 zu umfassen. Ebenfalls wird ein Thermoelement 500 als eine wärmeabsorbierende Vorrichtung betrieben, wenn eine Temperatur des AC-Komponenten-Ansteuerelements 300 gleich oder größer als eine vorgegebene Temperatur ist, und arbeitet als ein wärmeabgebende Vorrichtung, wenn eine Temperatur des AC-Komponenten-Ansteuerelements 300 weniger als eine vorgegebene Temperatur beträgt, um eine Wärmeerzeugung in dem AC-Komponenten-Ansteuerelement 300 zu handhaben/regeln. Eine Steuerung/Regelung des Thermoelementes 500 wird durch eine Thermoelementsteuerung 550 ausgeführt, die spezialisierte Programmanweisungen in Bezug auf die Steuerung umfasst.
Die Diagnosesteuer-Analysevorrichtung 100 entspricht der herkömmlichen Diagnoseanalysevorrichtung 30 (dargestellt in 1). In dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die Diagnosesteuer-Analysevorrichtung 100 einer herkömmlichen Diagnoseanalysevorrichtung 30 (wie in 1 dargestellt) entsprechen.
Die Diagnosesteuer-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 der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Grund, warum das Thermoelement 500 in dem System umfasst ist, dass eine beträchtliche Wärmemenge beim Betreiben des TR erzeugt wird. Demzufolge ist es im Winter (z. B., wenn die Temperatur weniger als eine vorgegebene Temperatur beträgt) erforderlich, die Wärme von dem TR als ein Heizelement zu verwenden, und ist es im Sommer (z. B. wenn die Temperatur eine vorgegebene Temperatur ist oder mehr beträgt) erforderlich, den Leistungstransistor zu kühlen. Zu diesem Zweck kann ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung einen Temperatursensor 400 umfassen, der eingerichtet ist, um eine Temperatur des TR zu erfassen.
Genauer gesagt, wenn die Temperatur des TR, die durch den Temperatursensor 400 erfasst wird, gleich oder größer als eine vorgegebene Temperatur ist, betreibt die Thermoelementsteuerung 550 das Thermoelement 500 als eine wärmeabsorbierende Vorrichtung, und wenn eine Temperatur des TR, die durch den Temperatursensor 400 erfasst wird, weniger als eine vorgegebene Temperatur beträgt, betreibt die Thermoelementsteuerung 550 das Thermoelement 500 als eine wärmeabgebende Vorrichtung.
Die Diagnosesteuer-Analysevorrichtung 100, der AC-Signalgenerator 200 und die Thermoelementsteuerung 550 können mit zumindest einem Prozessor gebildet werden, der über ein vorgegebenes Programm oder ein innerhalb des Prozessors umfasstes Hardwareelement betrieben wird. Als solches können die Diagnosesteuer-Analysevorrichtung 100, der AC-Signalgenerator 200 und die Thermoelementsteuerung 550 in einem integrierten Körper gebildet werden.
Nachstehend wird ein Betrieb eines Diagnose- und Wärmemanagementsystems von einem Brennstoffzellenstapel gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 2 und 3 ausführlich beschrieben.
Wenn die Diagnose des Brennstoffzellenstapels 10 gestartet wird, erzeugt der AC-Signalgenerator 200 ein AC-Signal I_BASE, so dass ein Absorptionsstrom I_INAC zu dem TR fließen kann und legt das AC-Signal I_BASE an eine Basis des TR gemäß der Steuerung der Diagnosesteuer-Analysevorrichtung 100 an, wie dies in 3 dargestellt wird. Das AC-Signal I_BASE, das an die Basis des TR angelegt wird, ist ein Strom eines Verstärkungsbereichs und wird gesteuert/geregelt, um zu einem Basisstrom durch ein Verstärkungsverhältnis zu fließen. Wenn der AC-Signalgenerator 200 ein AC-Signal I_BASE an den TR anlegt, fließt ein Absorptionsstrom I_INAC zu dem TR und somit ist eine AC-Komponente in einem Strom I_STACK des Brennstoffzellenstapels 10 enthalten, wie dies in 3 dargestellt wird. Zusätzlich, sobald die AC-Komponente in einem Strom I_STACK des Brennstoffzellenstapels 10 enthalten ist, ist eine AC-Komponente in einem zu der Last 40 fließenden Laststrom I_LOAD enthalten.
Wie oben beschrieben, da ein Absorptionsstrom I_INAC durch Ansteuern des TR erzeugt wird, wenn die AC-Komponente (z. B. Wechselstrom) in einem Strom I_STACK des Brennstoffzellenstapels 10 erzeugt wird. analysiert die Diagnosesteuer-Analysevorrichtung 100 eine Frequenz eines 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 Wechselstrom) enthalten ist, kann einem allgemeinen Verfahren oder einem Verfahren des Standes der Technik folgen und somit wird dessen Erläuterung weggelassen.
Wie oben beschrieben, wenn eine Diagnose des Brennstoffzellenstapels 10 durchgeführt wird, erzeugt der TR aufgrund seines Betriebs Wärme. Die Temperatur des TR wird dann durch den Temperatursensor 400 erfasst und die Temperatur des TR, die durch den Temperatursensor 400 erfasst wird, wird in die Thermoelementsteuerung 550 eingegeben.
Wenn eine Temperatur des TR, die durch den Temperatursensor 400 erfasst wird, gleich oder größer als eine vorgegebene Temperatur ist (z. B. ungefähr 30°C), kann die Thermoelementsteuerung 550 eingerichtet sein, um das Thermoelement 500 zu steuern/regeln, um in dem TR erzeugte Wärme zu absorbieren, wodurch eine Umgebung gekühlt wird. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Thermoelementsteuerung 550 durch die Diagnosesteuer-Analysevorrichtung 100 gesteuert/geregelt werden.
Alternativ, wenn eine Temperatur des TR, die durch den Temperatursensor 400 erfasst wird, weniger als eine vorgegebene Temperatur beträgt (z. B. ungefähr 5°C), indem das Thermoelement 500 als eine wärmeabgebende Vorrichtung betrieben wird, erhöht die Thermoelementsteuerung 550 die Temperatur einer Umgebung zusammen mit einer Wärmeerzeugung durch den TR. Zusätzlich betreibt in einigen Ausführungsformen die Thermoelementsteuerung 550 das Thermoelement 500 in einem vorgegebenen Temperaturbereich nicht (z. B. ungefähr 5°C–ungefähr 30°C).
Dadurch kann gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung durch Anlegen eines Diagnose-AC-Signals an eine Basis eines Leistungstransistors, so dass ein Teil eines Stromes eines Brennstoffzellenstapels in einer sinusförmigen Wellenform durch den Leistungstransistor fließen kann, ein Brennstoffzellenstapel ohne Verzerrung eines AC-Stromes über eine einfache Anordnung/Konfiguration und beim Ausführen des Diagnoseprozesses wirtschaftlich diagnostiziert werden, indem durch effizientes Handhaben/Regeln einer Wärmeerzeugung (z. B. unter Verwendung eines Thermoelements als eine wärmeabsorbierende Vorrichtung im Sommer und als eine wärmeabgebende Vorrichtung im Winter) in dem Leistungstransistor unter Verwendung eines Thermoelements während der Diagnose des Brennstoffzellenstapels ein Wärmemanagement in effizienter Weise durchgeführt werden kann.
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.
Bezugszeichenliste

10: Brennstoffzellenstapel
100: Diagnosesteuer-Analysevorrichtung
200: AC-Signalgenerator
300: AC-Komponenten-Ansteuerelement
400: Temperatursensor
500: Thermoelement
550: Thermoelementsteuerung
TR: Leistungstransistor

Claims

Diagnose- und Wärmemanagementsystem eines Brennstoffzellenstapels, aufweisend: eine Diagnosesteuer-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 beim Empfangen eines Steuerbefehls von der Diagnosesteuer-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; und ein Thermoelement, das als eine wärmeabsorbierende Vorrichtung angesteuert wird, wenn eine Temperatur des Diagnose-AC-Komponenten-Ansteuerelements gleich oder größer als eine erste vorgegebene Temperatur ist, und als eine wärmeabgebende Vorrichtung angesteuert wird, wenn eine Temperatur des Diagnose-AC-Komponenten-Ansteuerelements weniger als eine zweite vorgegebene Temperatur beträgt.
Diagnose- und Wärmemanagementsystem nach Anspruch 1, wobei das AC-Komponenten-Ansteuerelement ein Leistungstransistor ist.
Diagnose- und Wärmemanagementsystem nach Anspruch 2, ferner aufweisend eine Steuerung, die das Thermoelement steuert/regelt.
Diagnosesystem nach Anspruch 3, ferner aufweisend einen Temperatursensor, der eingerichtet ist, um eine Temperatur des Leistungstransistors zu erfassen, wobei die Thermoelementsteuerung das Thermoelement auf der Grundlage einer Temperatur des Leistungstransistors steuert/regelt, die durch den Temperatursensor erfasst wird.
Diagnose- und Wärmemanagementsystem nach Anspruch 4, wobei die Thermoelementsteuerung das Thermoelement als eine wärmeabsorbierende Vorrichtung betreibt, wenn eine Temperatur des Leistungstransistors, die durch den Temperatursensor erfasst wird, gleich oder größer als eine vorgegebene Temperatur ist, und das Thermoelement als eine wärmeabgebende Vorrichtung betreibt, wenn eine Temperatur des Leistungstransistors, die durch den Temperatursensor erfasst wird, weniger als eine vorgegebene Temperatur beträgt.
Diagnose- und Wärmemanagementverfahren für einen Brennstoffzellenstapel, aufweisend: Diagnostizieren und Analysieren, durch einen Prozessor, eines Zustandes des Brennstoffzellenstapels durch Messen einer Spannung und eines Stromes des Brennstoffzellenstapels; Erzeugen, durch einen AC-Signalgenerator, eines Diagnose-AC-Signals beim Empfangen eines Steuersignals von der Diagnosesteuer-Analysevorrichtung; Ansteuern eines AC-Komponenten-Ansteuerelements beim Empfangen des Diagnose-AC-Signals, das von dem AC-Signalgenerator ausgegeben wird, um eine Diagnose-AC-Komponente innerhalb des Stromes von dem Brennstoffzellenstapel zu umfassen; und Erfassen, durch einen Sensor, einer Temperatur des AC-Komponenten-Ansteuerelements, wobei ein Thermoelement als eine wärmeabsorbierende Vorrichtung angesteuert wird, wenn die Temperatur des AC-Komponenten-Ansteuerelements gleich oder größer als eine erste vorgegebene Temperatur ist, und als eine wärmeabgebende Vorrichtung angesteuert wird, wenn die Temperatur des AC-Komponenten-Ansteuerelements weniger als eine zweite vorgegebene Temperatur beträgt.
Diagnose- und Wärmemanagementverfahren nach Anspruch 6, wobei das AC-Komponenten-Ansteuerelement ein Leistungstransistor ist.
Diagnose- und Wärmemanagementverfahren nach Anspruch 7, ferner aufweisend ein Steuern/Regeln des Thermoelements über eine Steuerung.
Diagnose- und Wärmemanagementverfahren nach Anspruch 8, ferner aufweisend ein Ausschalten des Thermoelements, wenn die durch den Sensor erfasste Temperatur weniger als die erste vorgegebene Temperatur beträgt und größer als die zweite vorgegebene Temperatur ist.
Nichtflüchtiges computerlesbares Medium, das Programmbefehle umfasst, die durch einen Prozessor ausgeführt werden, das computerlesbare Medium aufweisend: Programmbefehle, die einen Zustand des Brennstoffzellenstapels durch Messen einer Spannung und eines Stromes des Brennstoffzellenstapels diagnostizieren und analysieren; Programmbefehle, die ein Diagnose-AC-Signal beim Empfangen eines Steuerbefehls erzeugen; und Programmbefehle, die ein AC-Komponenten-Ansteuerelement durch Erzeugen des Diagnose-AC-Signals, das von dem AC-Signalgenerator ausgegeben wird, ansteuern, um eine AC-Komponente für eine Diagnose in dem Strom von dem Brennstoffzellenstapel zu umfassen; und Programmbefehle, die ein Thermoelement als eine wärmeabsorbierende Vorrichtung ansteuern, wenn eine Temperatur des AC-Komponenten-Ansteuerelements gleich oder größer als eine erste vorgegebene Temperatur ist, und das Thermoelement als eine wärmeabgebende Vorrichtung ansteuern, wenn die Temperatur des AC-Komponenten-Ansteuerelements weniger als eine zweite vorgegebene Temperatur beträgt.