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Allgemeiner Stand der Technik
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1. Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Injektionsstrom für einen Brennstoffzellenstapel sowie eine Vorrichtung zu dessen Durchführung.
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2. Stand der Technik
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Bei einer Brennstoffzelle handelt es sich um eine Art Stromerzeugungsvorrichtung, die die chemische Energie eines Brennstoffs nicht durch Verbrennung in Wärme, sondern durch eine elektrochemische Reaktion in einem Stapel in elektrische Energie umwandelt, und die nicht nur zur Stromversorgung für Industrie und Haushalt sowie für den Antrieb eines Kraftfahrzeugs eingesetzt werden kann, sondern auch um ein kleines elektrisches/elektronisches Produkt, insbesondere ein tragbares Gerät, mit Strom zu versorgen.
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Gegenwärtig wird als Stromversorgungsquelle für den Antrieb eines Kraftfahrzeugs vornehmlich eine Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle) untersucht, die über die höchste Leistungsdichte unter den Brennstoffzellen verfügt. Die Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle weist aufgrund ihrer niedrigen Betriebstemperatur eine schnelle Startzeit sowie eine schnelle Reaktionszeit bei der Leistungsumwandlung auf.
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Die Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle ist so ausgestaltet, dass sie eine Membran-Elektroden-Einheit enthält, in der Katalysatorelektrodenschichten, in denen elektrochemische Reaktionen erfolgen, auf beiden Seiten einer festen Polymerelektrolytmembran angebracht sind, durch welche sich Wasserstoffionen bewegen, des Weiteren Gasdiffusionsschichten, die zum gleichmäßigen Verteilen von Reaktionsgasen und zur Übertragung von erzeugter elektrischer Energie dienen, Dichtungen und Kopplungsvorrichtungen, die die Luftdichtheit der Reaktionsgase und eines Kühlmittels sowie eines geeigneten Kopplungsdrucks beibehalten, sowie Bipolarplatten, die die Reaktionsgase und das Kühlmittel bewegen.
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Beim Zusammenbau eines Brennstoffzellenstapels unter Verwendung einer Elementarzelle der vorstehend beschriebenen Ausgestaltung wird die Kombination aus der Membran-Elektroden-Einheit und den Gasdiffusionsschichten, welche Hauptkomponenten sind, im innersten Teil der Zelle angeordnet. Bei der Membran-Elektroden-Einheit werden Katalysatoren auf die Katalysatorelektrodenschichten, d. h. eine Anode und eine Kathode, aufgebracht, so dass Wasserstoff und Sauerstoff auf beiden Oberflächen der Polymerelektrolytmembran miteinander reagieren können, und die Gasdiffusionsschichten, die Dichtungen usw. werden auf den Außenseiten der Anode und der Kathode gestapelt.
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Auf den Außenseiten der Gasdiffusionsschichten sind die Bipolarplatten angeordnet, die mit Strömungsfeldern ausgebildet sind, über die die Reaktionsgase (Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff oder Luft als Oxidationsmittel) zugeführt werden und die das Kühlmittel durchströmt. Nach dem Stapeln einer Vielzahl an Elementarzellen, die jeweils die vorstehend beschriebene Ausgestaltung aufweisen, werden Stromabnehmer, Isolierplatten und Endplatten zur Unterstützung der gestapelten Zellen mit äußersten Abschnitten gekoppelt. Der Brennstoffzellenstapel wird gebildet, indem die Elementarzellen zwischen den Endplatten mehrfach gestapelt und gekoppelt werden.
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Um das bei einem Kraftfahrzeug tatsächlich erforderliche Potential zu erhalten, sollten die Elementarzellen entsprechend dem erforderlichen Potential gestapelt werden. Der durch Stapeln der Elementarzellen gebildete Aufbau wird als Stapel bezeichnet. Das Potential, das durch eine Elementarzelle erzeugt wird, beträgt ungefähr 1,3 V. Um die für den Antrieb eines Kraftfahrzeugs erforderliche Energie zu erzeugen, wird deshalb eine Vielzahl an Zellen in Serie gestapelt.
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Zusammenfassung
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Verschiedene Ausführungsformen betreffen ein Verfahren zur Erzeugung von Injektionsstrom für einen Brennstoffzellenstapel sowie eine Vorrichtung zu dessen Durchführung, bei welchen eine Wechselstromkomponente, die aufgrund einer Zustandsänderung eines Schalters erzeugt wird, in dem von einem Brennstoffzellenstapel zu einer Last fließenden Stapelstrom gebildet wird, wodurch eine Vereinfachung der Ausgestaltung einer Vorrichtung zur Erzeugung von Wechselstrom zum Diagnostizieren eines Fehlers eines Brennstoffzellenstapels, eine Verringerung des Bauteilvolumens sowie eine Senkung der Produktkosten möglich sind.
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Des Weiteren betreffen verschiedene Ausführungsformen ein Verfahren zur Erzeugung von Injektionsstrom für einen Brennstoffzellenstapel sowie eine Vorrichtung zu dessen Durchführung, bei welchen eine Verstärkungsspannung, die mittels eines Induktors entsprechend einer Zustandsänderung eines Schalters erzeugt wird, im Ist-Zustand oder nach Umwandlung in eine vorgegebene Spannung einer Last bereitgestellt wird, wodurch eine Leistungsverbesserung eines Systems möglich ist.
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Verschiedene Ausführungsformen betreffen ferner ein Verfahren zur Erzeugung von Injektionsstrom für einen Brennstoffzellenstapel sowie eine Vorrichtung zu dessen Durchführung, bei welchen kein Widerstand verwendet wird, wodurch es möglich ist, eine Wärmeabgabe durch den Strom, der durch den Widerstand fließt, zu verringern, ein Wärmeableitungssystem zu vereinfachen, das Bauteilvolumen zu verringern und die Kosten für Bauteile zu senken.
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Die durch die vorliegende Erfindung zu lösenden Aufgaben sind nicht auf die vorstehend beschriebenen Gegenstände beschränkt, und weitere nicht genannte Aufgaben können für einen Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung klar ersichtlich sein.
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In einer Ausführungsform kann eine Vorrichtung zur Erzeugung von Injektionsstrom für einen Brennstoffzellenstapel umfassen: einen Schalter, der so ausgestaltet ist, dass er jeweils einen Durchlasszustand und einen Sperrzustand beibehält; einen Induktor, der so ausgestaltet ist, dass er gespeicherte Energie entsprechend einem Zustand des Schalters abgibt; und einen Wandler, der so ausgestaltet ist, dass er eine Leistung des Induktors einer Last bereitstellt oder die Leistung in eine vorgegebene Spannung umwandelt und die vorgegebene Spannung einer Last bereitstellt.
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Der Schalter kann eine Wechselstromkomponente in Form einer Rechteckwelle in einem Signalstrom erzeugen, der an den Brennstoffzellenstapel angelegt wird, während er in seinem Zustand nach eine vorgegebene Zeiteinheit entsprechend einer zu verwendenden Frequenz verändert wird.
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Der Induktor kann an seinen beiden Enden Energie speichern, wenn der Zustand des Schalters den Durchlasszustand beibehält, und die gespeicherte Energie als Verstärkungsspannung abgegeben, wenn der Zustand des Schalters vom Durchlasszustand in den Sperrzustand wechselt.
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Die Vorrichtung kann darüber hinaus ein Steuergerät umfassen, das so ausgestaltet ist, dass es einen Strom des Brennstoffzellenstapels unter Nutzung des Signalstroms berechnet und einen Scheinwiderstand des Brennstoffzellenstapels unter Nutzung eines Stroms des Brennstoffzellenstapels und einer Spannung des Brennstoffzellenstapels berechnet.
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Das Steuergerät kann einen Strom des Brennstoffzellenstapels, der einer vorgegebenen Frequenz entspricht, durch Frequenzanalyse des Signalstroms berechnen.
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Das Steuergerät kann eine Spannung des Brennstoffzellenstapels, die einer vorgegebenen Frequenz entspricht, durch Frequenzanalyse einer Spannung des Brennstoffzellenstapels berechnen.
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Das Steuergerät kann eine gesamte harmonische Verzerrung unter Nutzung eines Frequenzanalyseergebnisses entsprechend der vorgegebenen Frequenz berechnen und unter Nutzung der gesamten harmonischen Verzerrung feststellen, ob ein Fehler im Brennstoffzellenstapel aufgetreten ist.
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Das Steuergerät kann feststellen, ob die gesamte harmonische Verzerrung eine vorgegebene gesamte harmonische Verzerrung ist oder darüber liegt, und entsprechend einem Ermittlungsergebnis feststellen, ob ein Fehler im Brennstoffzellenstapel aufgetreten ist.
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Das Steuergerät kann eine Spannung des Brennstoffzellenstapels, die jeweils einer Frequenz von 300 Hz und 10 Hz entspricht, berechnen.
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In einer Ausführungsform kann ein Verfahren zur Erzeugung von Injektionsstrom für einen Brennstoffzellenstapel, das in einer Vorrichtung zur Erzeugung von Injektionsstrom für einen Brennstoffzellenstapel durchgeführt wird, umfassen: Speichern von Energie in einem Induktor, wenn ein Zustand eines Schalters einen Durchlasszustand beibehält; Abgabe der gespeicherten Energie als Verstärkungsspannung, wenn der Zustand des Schalters vom Durchlasszustand in den Sperrzustand wechselt; und Bereitstellung der Verstärkungsspannung an eine Last oder Umwandlung der Verstärkungsspannung in eine vorgegebene Spannung und Bereitstellung der vorgegebenen Spannung an eine Last durch einen Wandler.
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Das Verfahren kann des Weiteren umfassen: Erzeugung einer Wechselstromkomponente in Form einer Rechteckwelle in einem Signalstrom, der an den Brennstoffzellenstapel angelegt wird, während der Zustand des Schalters durch eine vorgegebene Zeiteinheit entsprechend einer zu verwendenden Frequenz verändert wird.
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Das Verfahren kann des Weiteren umfassen: Berechnung eines Stroms des Brennstoffzellenstapels unter Nutzung des Signalstroms; und Berechnung eines Scheinwiderstands des Brennstoffzellenstapels unter Nutzung eines Stroms des Brennstoffzellenstapels und einer Spannung des Brennstoffzellenstapels.
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Die Berechnung des Stroms des Brennstoffzellenstapels kann umfassen: Berechnung eines Stroms des Brennstoffzellenstapels, der einer vorgegebenen Frequenz entspricht, durch Frequenzanalyse des Signalstroms.
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Die Berechnung des Scheinwiderstands des Brennstoffzellenstapels kann umfassen: Berechnung einer Spannung des Brennstoffzellenstapels, die einer vorgegebenen Frequenz entspricht, durch Frequenzanalyse einer Spannung des Brennstoffzellenstapels.
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Die Berechnung der Spannung des Brennstoffzellenstapels kann umfassen: Berechnung einer gesamten harmonischen Verzerrung unter Nutzung eines Frequenzanalyseergebnisses entsprechend der vorgegebenen Frequenz sowie Feststellung, ob ein Fehler im Brennstoffzellenstapel aufgetreten ist, unter Nutzung der gesamten harmonischen Verzerrung.
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Die Feststellung, ob ein Fehler im Brennstoffzellenstapel aufgetreten ist, kann umfassen: Feststellung, ob die gesamte harmonische Verzerrung eine vorgegebene gesamte harmonische Verzerrung ist oder darüber liegt, und Feststellung, ob ein Fehler im Brennstoffzellenstapel aufgetreten ist, entsprechend einem Ermittlungsergebnis.
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Die Berechnung der Spannung des Brennstoffzellenstapels, die einer vorgegebenen Frequenz entspricht, kann eine Spannung des Brennstoffzellenstapels, die jeweils einer Frequenz von 300 Hz und 10 Hz entspricht, berechnen.
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Besonderheiten weiterer Ausführungsbeispiele sind in einer ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen enthalten.
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Vorteile und/oder Merkmale der vorliegenden Erfindung sowie Verfahren zum Erlangen derselben sind aus den nachfolgend ausführlich beschriebenen Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf nachfolgend offenbarte Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern wird in unterschiedlichen Formen verwirklicht. Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung offenbaren diese in umfassender Weise und dienen dazu, einem Fachmann den Umfang der vorliegenden Erfindung vollständig zu vermitteln. Daher wird die vorliegende Erfindung durch den Umfang der beigefügten Ansprüche festgelegt. In der gesamten Beschreibung kennzeichnen gleiche Ziffern gleiche Elemente.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zur Erzeugung von Injektionsstrom für einen Brennstoffzellenstapel gemäß einer Ausführungsform.
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2 stellt Graphen dar, die den in den Brennstoffzellenstapel eingespeisten Signalstrom und ein Frequenzanalyseergebnis des Signalstroms gemäß der Ausführungsform zeigen.
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3 stellt Graphen dar, die die Spannung des Brennstoffzellenstapels und ein Frequenzanalyseergebnis der Spannung des Brennstoffzellenstapels gemäß der Ausführungsform zeigen.
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4 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zur Erzeugung von Injektionsstrom für einen Brennstoffzellenstapel gemäß einer Ausführungsform verdeutlicht.
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5 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zur Erzeugung von Injektionsstrom für einen Brennstoffzellenstapel gemäß einer Ausführungsform verdeutlicht.
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Ausführliche Beschreibung
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Eine herkömmliche Vorrichtung zum Diagnostizieren eines Fehlers eines Brennstoffzellenstapels stellt fest, ob ein Fehler aufgetreten ist oder nicht, indem sie Wechselstrom in einen Brennstoffzellenstapel einspeist, die Spannung des Brennstoffzellenstapels ermittelt und unter Nutzung eines Analyseergebnisses eine gesamte harmonische Verzerrung berechnet.
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Wenn sinusförmiger Wechselstrom verwendet wird, indem er einem Betriebsstrom hinzugefügt wird, werden die Spannung einer normalen Zelle in einem linearen Abschnitt und die Spannung einer abnormalen Zelle in einem nichtlinearen Abschnitt verändert. Der Strom des Brennstoffzellenstapels ist die Summe des Betriebsstroms und des sinusförmigen Wechselstroms.
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Bei der Messung der Spannung des Brennstoffzellenstapels entsprechend dem Strom des Brennstoffzellenstapels weist die Spannung der normalen Zelle eine niedrige gesamte harmonische Verzerrung entsprechend einer Änderung eines Zellenstroms auf, wohingegen die Spannung der abnormalen Zelle eine große Amplitude und eine hohe gesamte harmonische Verzerrung entsprechend einer Änderung eines Zellenstroms aufweist.
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Die gesamte harmonische Verzerrung wird gemessen als Summe der harmonischen Teilschwingungen gegenüber der Grundfrequenz des eingespeisten Wechselstroms. Die herkömmliche Vorrichtung zum Diagnostizieren eines Fehlers eines Brennstoffzellenstapels kann feststellen, ob ein Fehler aufgetreten ist oder nicht, indem sie die gesamte harmonische Verzerrung durch Frequenzanalyse der Spannung des Brennstoffzellenstapels berechnet und die Spannungen der Zellen diagnostiziert.
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Die herkömmliche Vorrichtung zum Diagnostizieren eines Fehlers eines Brennstoffzellenstapels wird aus drei Hauptelementen gebildet, d. h. der Einspritzeinheit des Brennstoffzellenstapels, einer Einheit zum Messen der Spannung des Brennstoffzellenstapels sowie einer Fehlerdiagnoseeinheit.
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Um einen Fehler des Brennstoffzellenstapels mittels einer gesamten harmonischen Verzerrung zu diagnostizieren, wird Wechselstrom in den Brennstoffzellenstapel eingespeist. Zur Erzeugung des Wechselstroms wird der Gleichstrom einer Spannung, die einer Fahrzeugbatterie entspricht, durch einen Gleichspannungswandler verstärkt, der verstärkte Gleichstrom durch einen Gleichspannungs-Wechselspannungs-Wandler in Wechselstrom umgewandelt, eine vorgegebene Frequenz gefiltert und der Wechselstrom der vorgegebenen Frequenz an den Brennstoffzellenstapel angelegt.
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Ein solches Verfahren der Einspeisung von Wechselstrom zum Diagnostizieren eines Fehlers eines Brennstoffzellenstapels hat insofern Nachteile, als die Ausgestaltung komplex ist, eine große Anzahl an Bauteilen benötigt wird und die Kosten für die Bauteile somit steigen. Um dieses Problem zu bewältigen, sehen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ein Verfahren zur Erzeugung von Injektionsstrom für einen Brennstoffzellenstapel sowie eine Vorrichtung zu dessen Durchführung vor, bei welchen eine Wechselstromkomponente, die durch eine Zustandsänderung eines Schalters erzeugt wird, in dem an einen Brennstoffzellenstapel angelegten Signalstrom gebildet wird.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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1 ist ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zur Erzeugung von Injektionsstrom für einen Brennstoffzellenstapel gemäß einer Ausführungsform.
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Gemäß 1 umfasst eine Vorrichtung 100 zur Erzeugung von Injektionsstrom für einen Brennstoffzellenstapel einen Brennstoffzellenstapel 110, einen Induktor 120, einen Schalter 130, einen Wandler 140, einen Stromfühler 150 und ein Steuergerät 160.
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Der Brennstoffzellenstapel 110 wird gebildet, indem eine Vielzahl an Elementarzellen fortlaufend angeordnet wird. Signalstrom wird an den Brennstoffzellenstapel 110 angelegt, und eine Wechselstromkomponente, die entsprechend einer Zustandsänderung des Schalters 130 erzeugt wird, ist in dem Signalstrom enthalten. Die in dem Signalstrom enthaltene Wechselstromkomponente wirkt auf den Strom des Brennstoffzellenstapels 110 im Ist-Zustand ein.
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Durch Analyse des an den Brennstoffzellenstapel 110 angelegten Signalstroms kann der Strom des Brennstoffzellenstapels 110 entsprechend berechnet werden. Ein solcher Vorgang wird weiter unten in Verbindung mit der Erläuterung des Steuergeräts 160 ausführlich beschrieben.
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Der Induktor 120 gibt gespeicherte Energie entsprechend einer Zustandsänderung des Schalters 130 ab. Das bedeutet im Einzelnen, dass, wenn der Zustand des Schalters 130 in einem Durchlasszustand belassen wird, Energie an beiden Enden des Induktors 120 gespeichert wird, und wenn der Zustand des Schalters 130 vom Durchlasszustand in einen Sperrzustand wechselt, die an beiden Enden des Induktors 120 gespeicherte Energie nicht entladen und somit eine abnormale Spannung (d. h. eine Verstärkungsspannung) abgegeben wird. Die Verstärkungsspannung bezeichnet eine Spannung von 500 V oder darüber.
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Indem der Schalter 130 in den Durchlasszustand oder den Sperrzustand mit einer vorgegebenen Frequenz entsprechend der Steuerung des Steuergeräts 160 wechselt, erzeugt er die Wechselstromkomponente in dem Signalstrom, der an den Brennstoffzellenstapel 110 angelegt wird.
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Indem der Schalter 130 in einer Ausführungsform in den Durchlasszustand oder den Sperrzustand mit einer vorgegebenen Frequenz wechselt, kann er in dem Signalstrom, der an den Brennstoffzellenstapel 110 angelegt wird, eine Wechselstromkomponente erzeugen, die der Form einer Rechteckwelle nahekommt.
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Indem beispielsweise der Schalter 130 in den Durchlasszustand oder den Sperrzustand mit einer Frequenz von 300 Hz entsprechend dem Pulsbreitenmodulationsschema des vom Steuergerät 160 empfangenen Signals wechselt, kann er im Signalstrom eine Wechselstromkomponente erzeugen, die der Form einer Rechteckwelle von 300 Hz nahekommt. Der Signalstrom wird weiter unten unter Bezugnahme auf 2 ausführlich beschrieben.
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Der Schalter 130 wechselt durch eine vorgegebene Zeiteinheit in den Durchlasszustand oder den Sperrzustand. In einer Ausführungsform kann der Schalter 130 entsprechend einer zu verwendenden Frequenz (z. B. 300 Hz oder 10 Hz) schnell oder langsam in den Durchlasszustand oder den Sperrzustand wechseln.
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Der Wandler 140 wandelt die im Induktor 120 erzeugte Verstärkungsspannung in eine vorgegebene Spannung um und stellt die vorgegebene Spannung einer Last bereit (indem er beispielsweise eine Fahrzeugbatterie auflädt). So kann der Wandler 140 die im Induktor 120 erzeugte Verstärkungsspannung von 500 V auf 12 V tiefsetzen. Bei einem derartigen Wandler 140 kann es sich um einen Abwärts-Gleichspannungswandler (buck type DC-DC converter) oder einen Gleichspannungstrennwandler (isolation DC-DC converter) zur Trennung von einer hohen Spannung, z. B einer Verstärkungsspannung, handeln.
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Im Unterschied zur Darstellung in 1 kann der Wandler 140 die Verstärkungsspannung nicht in eine vorgegebene Spannung umwandeln und die Verstärkungsspannung im Ist-Zustand einer Last (z. B. einer Hochspannungsbatterie oder dergleichen) bereitstellen.
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Der Stromfühler 150 misst den Wert des Signalstroms und stellt den Wert dem Steuergerät 160 bereit.
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Das Steuergerät 160 berechnet den Scheinwiderstand des Brennstoffzellenstapels 110 unter Nutzung des Stroms des Brennstoffzellenstapels 110 und der Spannung des Brennstoffzellenstapels 110. Dieser Vorgang wird nachstehend ausführlich beschrieben.
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Wenn das Steuergerät 160 den Signalstrom vom Stromfühler 150 erhält, kann es den Strom des Brennstoffzellenstapels 110 unter Nutzung des Signalstroms berechnen. Der Signalstrom bezeichnet den an den Brennstoffzellenstapel 110 angelegten Strom. Die Wechselstromkomponente ist in dem Signalstrom enthalten, der an den Brennstoffzellenstapel 110 angelegt wird, und wirkt auf den Strom des Brennstoffzellenstapels 110 im Ist-Zustand ein. Danach kann das Steuergerät 160 den Strom des Brennstoffzellenstapels 110 berechnen, indem es den an den Brennstoffzellenstapel 110 angelegten Signalstrom analysiert.
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Wenn in einer Ausführungsform das Steuergerät 160 den Signalstrom vom Stromfühler 150 erhält, kann es den Strom des Brennstoffzellenstapels 110, der einer vorgegebenen Frequenz entspricht, durch Frequenzanalyse des Signalstroms berechnen. Wenn beispielsweise das Steuergerät 160 mit dem Signalstrom vom Stromfühler 150 übertragen wird, kann es den Strom des Brennstoffzellenstapels 110, der 300 Hz entspricht, durch Frequenzanalyse des Signalstroms berechnen.
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Ferner kann das Steuergerät 160 die Spannung des Brennstoffzellenstapels 110 messen und die Spannung des Brennstoffzellenstapels 110, die einer vorgegebenen Frequenz entspricht, durch Frequenzanalyse der Spannung des Brennstoffzellenstapels 110 berechnen.
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Des Weiteren kann das Steuergerät 160 den Scheinwiderstand des Brennstoffzellenstapels 110 unter Nutzung des Stroms des Brennstoffzellenstapels 110 und der Spannung des Brennstoffzellenstapels 110 berechnen.
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In einer Ausführungsform kann das Steuergerät 160 den Scheinwiderstand des Brennstoffzellenstapels 110 anhand der folgenden Gleichung 1 berechnen.
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[Gleichung 1]
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A = V/I
- A: Scheinwiderstand des Brennstoffzellenstapels 110
- V: Spannung des Brennstoffzellenstapels 110
- I: Strom des Brennstoffzellenstapels 110
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Das Steuergerät 160 kann beispielsweise den Scheinwiderstand des Brennstoffzellenstapels 110 berechnen, indem es die Spannung des Brennstoffzellenstapels 110, die 300 Hz entspricht, und den Strom des Brennstoffzellenstapels 110, der 300 Hz entspricht, nutzt.
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Das Steuergerät 160 kann unter Nutzung des Frequenzanalyseergebnisses entsprechend einer vorgegebenen Frequenz feststellen, ob ein Fehler im Brennstoffzellenstapel 110 aufgetreten ist.
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In einer Ausführungsform kann das Steuergerät 160 eine gesamte harmonische Verzerrung unter Nutzung des Frequenzanalyseergebnisses entsprechend einer vorgegebenen Frequenz berechnen und unter Nutzung der gesamten harmonischen Verzerrung feststellen, ob ein Fehler im Brennstoffzellenstapel 110 aufgetreten ist. Das Steuergerät 160 kann beispielsweise unter Nutzung der Spannung des Brennstoffzellenstapels 110, die 10 Hz entspricht, eine gesamte harmonische Verzerrung berechnen und unter Nutzung der gesamten harmonischen Verzerrung feststellen, ob ein Fehler im Brennstoffzellenstapel 110 aufgetreten ist.
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2 stellt Graphen dar, die den in den Brennstoffzellenstapel eingespeisten Signalstrom und ein Frequenzanalyseergebnis des Signalstroms gemäß der Ausführungsform zeigen.
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2(a) ist ein Graph, der den in den Brennstoffzellenstapel eingespeisten Signalstrom zeigt, und 2(b) ist ein Graph, der ein Frequenzanalyseergebnis des in den Brennstoffzellenstapel eingespeisten Signalstroms zeigt.
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Die Vorrichtung 100 zur Erzeugung von Injektionsstrom für einen Brennstoffzellenstapel speist den Signalstrom in den Brennstoffzellenstapel 110 ein. Die Wechselstromkomponente, die entsprechend einer Zustandsänderung des Schalters 130 erzeugt wird, ist in dem Signalstrom, der in den Brennstoffzellenstapel 110 eingespeist wird, enthalten.
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Der Schalter 130 erzeugt die Wechselstromkomponente im Signalstrom, während er in den Durchlasszustand und den Sperrzustand mit einer vorgegebenen Frequenz wechselt, und die durch den Schalter 130 erzeugte Wechselstromkomponente weist die Form einer Rechteckwelle auf. Dementsprechend wird der in den Brennstoffzellenstapel 110 eingespeiste Signalstrom, wie in 2(a) dargestellt, in Form einer Rechteckwelle dargestellt.
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Die Vorrichtung 100 zur Erzeugung von Injektionsstrom für einen Brennstoffzellenstapel kann den in 2(b) gezeigten Graphen durch Frequenzanalyse des in 2(a) gezeigten Signalstroms erzielen und den Strom des Brennstoffzellenstapels 110, der 300 Hz in 2(b) entspricht, berechnen. Der Grund, weshalb der Signalstrom bei der Berechnung des Stroms des Brennstoffzellenstapels 110 auf diese Weise genutzt wird, liegt darin, dass die im Signalstrom enthaltene Wechselstromkomponente auf den Strom des Brennstoffzellenstapels 110 im Ist-Zustand einwirkt.
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3 stellt Graphen dar, die die Spannung des Brennstoffzellenstapels und ein Frequenzanalyseergebnis der Spannung des Brennstoffzellenstapels gemäß der Ausführungsform zeigen.
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3(a) ist ein Graph, der die Spannung des Brennstoffzellenstapels zeigt, und 3(b) ist ein Graph, der ein Frequenzanalyseergebnis der Spannung des Brennstoffzellenstapels zeigt.
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Die Vorrichtung 100 zur Erzeugung von Injektionsstrom für einen Brennstoffzellenstapel kann den in 3(a) gezeigten Graphen durch Messung der Spannung des Brennstoffzellenstapels 110 und den in 3(b) gezeigten Graphen durch Frequenzanalyse der Spannung des Brennstoffzellenstapels 110 erzielen und die Spannung des Brennstoffzellenstapels 110, die 300 Hz in 3(b) entspricht, berechnen.
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4 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zur Erzeugung von Injektionsstrom für einen Brennstoffzellenstapel gemäß einer Ausführungsform verdeutlicht.
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Gemäß 4 speichert die Vorrichtung 100 zur Erzeugung von Injektionsstrom für einen Brennstoffzellenstapel Energie in einem Induktor, wenn der Zustand eines Schalters einen Durchlasszustand beibehält (S410). Die Vorrichtung 100 zur Erzeugung von Injektionsstrom für einen Brennstoffzellenstapel gibt die im Induktor gespeicherte Energie als Verstärkungsspannung ab, wenn der Zustand des Schalters vom Durchlasszustand in einen Sperrzustand wechselt (S420). Die Vorrichtung 100 zur Erzeugung von Injektionsstrom für einen Brennstoffzellenstapel stellt die Verstärkungsspannung einer Last bereit oder wandelt die Verstärkungsspannung in eine vorgegebene Spannung um und stellt die vorgegebene Spannung einer Last bereit (S430).
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5 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zur Erzeugung von Injektionsstrom für einen Brennstoffzellenstapel gemäß einer Ausführungsform verdeutlicht.
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Gemäß 5 erzeugt die Vorrichtung 100 zur Erzeugung von Injektionsstrom für einen Brennstoffzellenstapel eine Wechselstromkomponente in dem an einen Brennstoffzellenstapel 110 angelegten Signalstrom, während sie den Zustand eines Schalters wechselt (S510). Die Vorrichtung 100 zur Erzeugung von Injektionsstrom für einen Brennstoffzellenstapel berechnet den Strom des Brennstoffzellenstapels unter Nutzung des Signalstroms (S520). Die Vorrichtung 100 zur Erzeugung von Injektionsstrom für einen Brennstoffzellenstapel misst die Spannung des Brennstoffzellenstapels (S530). Die Vorrichtung 100 zur Erzeugung von Injektionsstrom für einen Brennstoffzellenstapel berechnet den Scheinwiderstand des Brennstoffzellenstapels unter Nutzung des Stroms des Brennstoffzellenstapels und der Spannung des Brennstoffzellenstapels (S540).
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Wie aus den vorstehenden Beschreibungen ersichtlich ist, wird gemäß den Ausführungsformen eine Wechselstromkomponente, die aufgrund einer Zustandsänderung eines Schalters erzeugt wird, in dem von einem Brennstoffzellenstapel zu einer Last fließenden Stapelstrom gebildet, wodurch eine Vereinfachung der Ausgestaltung einer Vorrichtung zur Erzeugung von Wechselstrom zum Diagnostizieren eines Fehlers eines Brennstoffzellenstapels, eine Verringerung des Bauteilvolumens sowie eine Senkung der Produktkosten möglich sind.
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Gemäß den Ausführungsformen wird ferner eine Verstärkungsspannung, die mittels eines Induktors entsprechend einer Zustandsänderung eines Schalters erzeugt wird, im Ist-Zustand oder nach Umwandlung in eine vorgegebene Spannung einer Last bereitgestellt, wodurch eine Leistungsverbesserung eines Systems möglich ist.
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Gemäß den Ausführungsformen wird ferner kein Widerstand verwendet, wodurch es möglich ist, eine Wärmeabgabe durch den Strom, der durch den Widerstand fließt, zu verringern, ein Wärmeableitungssystem zu vereinfachen, das Bauteilvolumen zu verringern und die Kosten für Bauteile zu senken.
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Obgleich vorstehend konkrete Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, können verschiedene Änderungen vorgenommen werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Demgemäß ist der Umfang der vorliegenden Erfindung nicht dahingehend auszulegen, dass er auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern ist durch die nachfolgenden Ansprüche sowie deren Entsprechungen festzulegen.
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Obgleich die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele und die beigefügten Zeichnungen beschrieben wurde, ist sie nicht auf die vorstehend genannten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern kann von einem Fachmann, an den sich die vorliegende Erfindung richtet, auf verschiedene Weise verändert und abgewandelt werden. Daher sind Sinn und Umfang der vorliegenden Erfindung nur durch die nachfolgenden Ansprüche zu verstehen und sämtliche Entsprechungen und äquivalente Abwandlungen der Ansprüche als vom Sinn und Umfang der vorliegenden Erfindung erfasst anzusehen.
