DE102014011829A1 - Analysevorrichtung für ein Brennstoffzellensystem eines Kraftfahrzeugs - Google Patents

Analysevorrichtung für ein Brennstoffzellensystem eines Kraftfahrzeugs Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Analysevorrichtung (10) für ein Brennstoffzellensystem eines Kraftfahrzeugs welche dazu ausgebildet ist, eine von einem Brennstoffzellenstapel bereitgestellte Brennstoffzellenspannung (UBZ) und/oder einen von dem Brennstoffzellenstapel bereitgestellten Brennstoffzellenstrom (IBZ) zu erfassen und anhand der erfassten Brennstoffzellenspannung (UBZ) und/oder des erfassten Brennstoffzellenstroms (IBZ) eine Impedanz des Brennstoffzellenstapels zu bestimmen, wobei die Analysevorrichtung (10) durch eine elektrische Komponente des Brennstoffzellensystems gebildet ist, die eine Erfassungseinrichtung (30) zum Erfassen der Brennstoffzellenspannung (UBZ) und/oder des Brennstoffzellenstroms (IBZ) und eine Auswerteeinrichtung (32) zum Bestimmen der Impedanz aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Analysevorrichtung für ein Brennstoffzellensystem eines Kraftfahrzeugs, welche dazu ausgelegt ist, eine von einem Brennstoffzellenstapel bereitgestellte Brennstoffzellenspannung und/oder einen von dem Brennstoffzellenstapel bereitgestellten Brennstoffzellenstrom zu erfassen und anhand der erfassten Brennstoffzellenspannung und/oder des erfassten Brennstoffzellenstroms eine Impedanz des Brennstoffzellenstapels zu bestimmen. Überdies betrifft die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem. Schließlich betrifft die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug.
  • Analysevorrichtungen für Brennstoffzellensysteme sind aus dem Stand der Technik bekannt. Insbesondere die elektrische Impedanzanalyse ist eine mittlerweile bekannte Messmethode, um die Impedanz von elektrochemischen Elementen zu ermitteln. Die Analysemethode unterteilt sich dabei grundlegend in drei Abschnitte bzw. Teile. Ein Teil ist charakterisiert durch die Messung der Brennstoffzellenspannung und des Brennstoffzellenstroms mit geeigneter Genauigkeit. In einem weiteren Abschnitt werden die Brennstoffzellenspannung und der Brennstoffzellenstrom in geeigneter Weise in Signale gewandelt. Aus den Signalen wird ein Impedanzwert oder Impedanzwerte berechnet. In einem weiteren Abschnitt werden nun diese Werte unter Berücksichtigung von weiteren Prozesswerten des elektrochemischen Elements bewertet und daraus Reaktionen abgeleitet, welche wiederum auf unterschiedlichste Art genutzt werden können. Beispielsweise können diese Werte einem Regelkreis zurückgeführt werden.
  • Bisher wurde für die Anwendung dieser Analysemethode eine eigene Labor-Hardware benötigt. Diese Hardware findet beispielsweise im Labormaßstab Anwendung. Weiterhin sind auch stationäre Anwendungseinheiten bekannt, die beispielsweise in Brennstoffsystemen genutzt werden.
  • Hierzu beschreibt die DE 11 2006 001 720 B4 ein Brennstoffzellensystem, das eine Brennstoffzelle und ein Spannung wandelndes Gerät zum Regulieren einer Ausgangsspannung der Brennstoffzelle enthält. Zudem umfasst das Brennstoffzellensystem Abgabemittel zum Erzeugen eines Signals zum Messen der Impedanz, Mittel zum Überlagern des erzeugten Signals auf eine Ausgangszielspannung und zum Abgeben der überlagerten Spannung an das Spannung wandelnde Gerät, wenn eine Impedanz der Brennstoffzelle gemessen wird, Messmittel zum Messen einer Amplitude des Signals zum Messen der Impedanz nach dem Durchlaufen durch das Spannung wandelnde Gerät und Regulierungsmittel zum Regulieren einer Amplitude des Signals zum Messen der Impedanz vor dem Durchlaufen durch das Spannung wandelnde Gerät, basierend auf einem Messergebnis durch das Messmittel.
  • Zudem ist in der US 8,624,611 B2 ein Verfahren zur Überwachung einer galvanischen Trennung einer Brennstoffzellenvorrichtung bekannt. Dabei wird eine Messeinrichtung der Brennstoffzellenvorrichtung dazu verwendet, die Impedanz einer Brennstoffzelle der Brennstoffzellenvorrichtung zu bestimmen.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Analysevorrichtung zum Bestimmen der Impedanz eines Brennstoffzellenstapels bereitzustellen, die Bauraum sparender und kostengünstiger ausgebildet ist.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Analysevorrichtung, durch ein Brennstoffzellensystem sowie durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
  • Die erfindungsgemäße Analysevorrichtung für ein Brennstoffzellensystem eines Kraftfahrzeugs ist dazu ausgelegt, eine von einem Brennstoffzellenstapel bereitgestellte Brennstoffzellenspannung und/oder einen von dem Brennstoffzellenstapel bereitgestellten Brennstoffzellenstrom zu erfassen und anhand der erfassten Brennstoffzellenspannung und/oder des erfassten Brennstoffzellenstroms eine Impedanz des Brennstoffzellenstapels zu bestimmen, wobei die Analysevorrichtung durch eine elektrische Komponente des Brennstoffzellensystems gebildet ist, die eine Erfassungseinrichtung zum Erfassen der Brennstofzellenspannung und/oder des Brennstoffzellenstroms und eine Auswerteeinrichtung zum Bestimmen der Impedanz aufweist.
  • Die Anwendung einer Analysemethode zum Bestimmen der Impedanz eines Brennstoffzellenstapels kann somit in eine bereits bestehende Komponente bzw. ein Gerät des Brennstoffzellensystems integriert werden. Die Auswerteeinrichtung kann hierzu beispielsweise ein entsprechendes Software-Modul umfassen. Dieses kann sozusagen in Symbiose für die Serie integriert werden. Das als Basis zur Integration verwendete Gerät wird also um eine Analysefunktion erweitert ohne die eigentliche Funktion des Geräts zu behindern.
  • In einer Ausführungsform ist die Analysevorrichtung in einem Gleichspannungswandler des Brennstoffzellensystems angeordnet, der dazu ausgelegt ist, die Brennstoffzellenspannung in eine elektrische Spannung zum Antreiben einer elektrischen Maschine des Kraftfahrzeugs zu wandeln. Somit kann die Analysevorrichtung besonders Bauraum sparend in dem Brennstoffzellensystem angeordnet werden.
  • Bevorzugt ist die Auswerteeinrichtung durch ein Steuergerät des Gleichspannungswandlers gebildet. Im speziellen Fall kann die Analysevorrichtung als Software-Modul in einen Kontroller bzw. ein Steuergerät eines bestehenden DC-DC-Wandlers implementiert werden, um das elektrochemische Element bzw. Brennstoffzelle in ihrer Performance zu analysieren.
  • In einer Ausführungsform weist die Analysevorrichtung eine Kommunikationseinrichtung zum Übertragen von Daten an einen Kommunikationsbus des Kraftfahrzeugs auf. Bevorzugt ist die Analysevorrichtung dazu ausgelegt, ein Steuersignal zum Steuern eines Massenstroms, eines Volumenstroms und/oder eines Drucks zumindest eines dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Mediums bereitzustellen.
  • Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem umfasst die erfindungsgemäße Analysevorrichtung. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug umfasst das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem.
  • Weitere Merkmale ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figur und der Figurenbeschreibung. Alle vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder aber in Alleinstellung verwendbar.
  • Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung einer Analysevorrichtung für ein Brennstoffzellensystem eines Kraftfahrzeugs.
  • Die Figur zeigt eine schematische Darstellung einer Analysevorrichtung 10 für ein Brennstoffzellensystem eines Kraftfahrzeugs. Das Brennstoffzellensystem kann einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen umfassen. Mit dem Brennstoffzellenstapel kann eine Brennstoffzellenspannung UBZ und ein Brennstoffzellenstrom IBZ bereitgestellt werden.
  • Die Analysevorrichtung 10 dient zur Bestimmung der Impedanz eines Brennstoffzellenstapels oder von einzelnen Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels. Die Analysevorrichtung 10 wird vorliegend durch eine Komponente des Kraftfahrzeugs bzw. des Brennstoffzellensystems gebildet, welche möglichst nahe an dem Brennstoffzellenstapel angeordnet ist. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Analysevorrichtung 10 in einen Gleichspannungswandler 12 bzw. DC-DC-Wandler des Brennstoffzellensystems integriert.
  • Der Gleichspannungswandler 12 umfasst ein Leistungsteil 14, welches zum Wandeln der Brennstoffzellenspannung UBZ in eine Traktionsspannung UT dient. Das Leistungsteil 14 kann hierzu entsprechende Leistungshalbleiter aufweisen. Mit der Traktionsspannung UT kann eine elektrische Maschine des Kraftfahrzeugs versorgt werden. Zudem umfasst der Gleichspannungswandler 12 eine Treibereinrichtung 16 bzw. einen Endstufentreiber. Weiterhin weist der Gleichspannungswandler 12 eine Koppeleinrichtung 18 auf, die der galvanischen Anbindung eines Steuergeräts 20 dient. Das Steuergerät 20 kann beispielsweise einen FPGA umfassen. Zudem umfasst der Gleichspannungswandler 12 eine Kommunikationseinrichtung 22, die Daten an einen Kommunikationsbus 24 des Kraftfahrzeugs übertragen kann und Daten von dem Kommunikationsbus 24 empfangen kann. Der Kommunikationsbus 24 kann beispielsweise in CAN-Bus oder ein FlexRay-Bus sein.
  • Vorliegend sollen die Komponenten des Gleichspannungswandlers 12 als Analysevorrichtung 10 dienen. Hierzu werden die Brennstoffzellenspannung UBZ und der Brennstoffzellenstrom IBZ, die an dem Leistungsteil 14. anliegen, gemesssen. Die Treibereinrichtung 16 dient hierbei zur analogen und digitalen Aufbereitung der Messwerte. Die Treibereinrichtung 16 dient somit als eine Erfassungseinrichtung 28 zum Erfassen der Brennstoffzellenspannung UBZ und des Brennstoffzellenstroms IBZ. Somit ergeben sich Ist-Werte für wird die Brennstoffzellenspannung UBZ und den Brennstoffzellenstrom IBZ, die an die Kommunikationseinrichtung 22 übertragen werden. Dies ist durch den Pfeil 26 verdeutlicht.
  • Das Steuergerät 20 dient in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel aus Auswerteeinrichtung 30 der Analysevorrichtung 10. Hierzu kann auf dem Steuergerät 20 ein entsprechendes Softwareprogramm zu Ablauf gebracht werden. Das Steuergerät 20 kann anhand der Brennstoffzellenspannung UBZ und des Brennstoffzellenstroms IBZ die Impedanz des Brennstoffzellenstapels berechnen. Das Steuergerät 20 kann über die Kommunikationseinrichtung 22 auch entsprechende Soll-Werte für die Brennstoffzellenspannung UBZ und den Brennstoffzellenstroms IBZ empfangen. Dies ist durch den Pfeil 28 verdeutlicht.
  • Mit der Analysevorrichtung 10 kann somit eine dynamische Ermittlung der Impedanz und eine Analyse im Betrieb des Brennstoffzellensystems ermöglicht werden. Damit kann der aktuelle Performancezustand des Brennstoffzellensystems ermittelt werden. Die ermittelten Werte können für die dynamische Regelung, die Medienzuführung und Strombelastung des Brennstoffzellenstapels genutzt werden. Damit wird es möglich, die Brennstoffzelle geregelt zu betreiben. Bisher wurde das Brennstoffzellensystem in weiten Betriebsbereichen gesteuert betrieben. Zumindest ist es möglich, das Brennstoffzellensystem in bestimmten Betriebszuständen präziser zu regeln, für die es bisher nur aufwendig herausgefahrene oder nur unzureichende Steuerungskennfelder gibt.
  • Zudem ist ein genaueres Einstellen der Medieneigenschaften für die gewünschte Brennstoffzellen-Performance im vollständigen Versuchsraum möglich. Eine bessere dynamische Einstellung der Medieneigenschaften führt zu einer Verlängerung der Lebensdauer der Brennstoffzelle, die einen großen Kostenanteil am Gesamtbrennstoffzellensystem in Anspruch nimmt. Damit können Ersatzteile und/oder Austauschteile eingespart werden.
  • Darüber hinaus können die Zustände an der Brennstoffzelle für den Freeze Start inklusive dessen vorbereitenden Shut Down damit zur besseren Verhinderung irreversibler Degradation präziser dargestellt, eingestellt oder geregelt werden. Zudem wird keine zusätzliche Kontroller-Hardware zur ohnehin bestehenden Hardware des Brennstoffzellensystems benötigt. Folglich ergibt sich eine Kostenoptimierung.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Analysevorrichtung
    12
    Gleichspannungswandler
    14
    Leistungsteil
    16
    Treibereinrichtung
    18
    Koppeleinrichtung
    20
    Steuergerät
    22
    Kommunikationseinrichtung
    24
    Kommunikationsbus
    26
    Pfeil
    28
    Pfeil
    30
    Empfangseinrichtung
    32
    Auswerteeinrichtung
    IBZ
    Brennstoffzellenstrom
    IT
    Strom
    UBZ
    Brennstoffzellenspannung
    UT
    Spannung
  • 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
    • DE 112006001720 B4 [0004]
    • US 8624611 B2 [0005]

Claims (7)

  1. Analysevorrichtung (10) für ein Brennstoffzellensystem eines Kraftfahrzeugs, welche dazu ausgelegt ist, eine von einem Brennstoffzellenstapel bereitgestellte Brennstoffzellenspannung (UBZ) und/oder einen von dem Brennstoffzellenstapel bereitgestellten Brennstoffzellenstrom (IBZ) zu erfassen und anhand der erfassten Brennstoffzellenspannung (UBZ) und/oder des erfassten Brennstoffzellenstroms (IBZ) eine Impedanz des Brennstoffzellenstapels zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, dass die Analysevorrichtung (10) durch eine elektrische Komponente des Brennstoffzellensystems gebildet ist, die eine Erfassungseinrichtung (30) zum Erfassen der Brennstoffzellenspannung (UBZ) und/oder des Brennstoffzellenstroms (IBZ) und eine Auswerteeinrichtung (32) zum Bestimmen der Impedanz aufweist.
  2. Analysevorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Analysevorrichtung (10) in einem Gleichspannungswandler (12) des Brennstoffzellensystems angeordnet ist, der dazu ausgelegt ist die Brennstoffzellenspannung (UBZ) in eine elektrische Spannung (UT) zum Antreiben einer elektrischen Maschine des Kraftfahrzeugs zu wandeln.
  3. Analysevorrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (32) durch eine Steuereinrichtung (20) des Gleichspannungswandlers (12) gebildet ist.
  4. Analysevorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Analysevorrichtung (10) eine Kommunikationseinrichtung (22) zum Übertragen von Daten an einen Kommunikationsbus (24) des Kraftfahrzeugs aufweist.
  5. Analysevorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Analysevorrichtung (10) dazu ausgelegt ist, ein Steuersignal zum Steuern eines Massenstroms, eines Volumenstroms und/oder eines Drucks zumindest eines dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Mediums bereitzustellen.
  6. Brennstoffzellensystem mit einer Analysevorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  7. Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6.
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