DE102014225892A1 - Zustandsdiagnosevorrichtung eines Brennstoffzellenstapels - Google Patents

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Kwi Seong Jeong
Sang Bok Won
Young Bum Kum
Jae Jun Ko
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Abstract

Eine Vorrichtung zur Diagnose eines Zustandes eines Brennstoffzellenstapels ist vorgesehen. Die Vorrichtung kann den Zustand des Brennstoffzellenstapels ohne den DC-DC-Wandler, der die DC-Spannung verstärkt, und den Inverter, der die verstärkte DC-Spannung in die AC-Spannung umwandelt, überprüfen. Insbesondere kann die Vorrichtung den Zustand der Brennstoffzelle überprüfen durch Anlegen der Rechteckwelle der einzelnen Frequenz mit einem Tastverhältnis von ungefähr 0,5 an den Brennstoffzellenstapel, Messen einer Spannung des Brennstoffzellenstapels, Erfassen der geradzahlig-vielfachen harmonischen Komponenten der Frequenz der Rechteckwelle durch Durchführen der Frequenzumwandlung auf der gemessenen Spannung und dann Überprüfen des Zustandes des Brennstoffzellenstapels auf der Grundlage der Größe der erfassten harmonischen Komponenten.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Vorrichtung zur Diagnose eines Zustandes eines Brennstoffzellenstapels, insbesondere ohne die Verwendung einer Mehrfrequenz.
  • HINTERGRUND
  • Eine Brennstoffzelle ist eine Energieerzeugungsvorrichtung, die chemische Energie eines Brennstoffs in elektrische Energie durch eine elektrochemische Reaktion innerhalb eines Brennstoffzellenstapels ohne Verbrennen des Brennstoffs umwandelt. Die Brennstoffzelle kann verwendet werden, um eine Industrie, einen Haushalt und ein Fahrzeug zum Fahren mit Energie zu versorgen, und weiter um kleine elektrische/elektronische Produkte, insbesondere tragbare Geräte/Vorrichtungen mit Energie zu versorgen.
  • Derzeit sind als eine Stromversorgungsquelle zum Antreiben eines Fahrzeugs eine Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (polymer electrolyte membrane fuel cell – PEMFC) und eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (proton exchange membrane fuel cell – PEMFC), die die größte Leistungsdichte unter den Brennstoffzellen aufweisen können, entwickelt worden. Insbesondere können die Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle und die Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (PEMFC) eine schnelle Startzeit und eine schnelle Leistungsumwandlungs-Reaktionszeit aufgrund ihrer niedrigen Betriebstemperatur aufweisen.
  • Die Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle umfasst typischerweise: eine Membranelektrodenanordnung (membrane electrode assembly – MEA) mit katalytischen Elektrodenschichten, wo die elektrochemische Reaktion erzeugt wird, und eine feste Polymerelektrolytmembran, wo Protonen wandern und die katalytischen Elektrodenschichten angebracht sind; eine Gasdiffusionsschicht (gas diffusion layer – GDL), die dazu dient, Reaktionsgase gleichmäßig zu verteilen und erzeugte elektrische Energie zu übertragen; eine Dichtung und ein Befestigungselement, die die Luftdichtheit und einen geeigneten Befestigungsdruck der Reaktionsgase und von Kühlwasser aufrechterhalten; und eine Bipolarplatte, wo die Reaktionsgase und das Kühlwasser durchströmen.
  • In einer Anordnung des Brennstoffzellenstapels ist eine Kombination aus der Membranelektrodenanordnung und der Gasdiffusionsschicht an dem innersten Abschnitt der Zelle als Hauptkomponenten angeordnet. In der Membranelektrodenanordnung sind die katalytischen Elektrodenschichten, wie beispielsweise eine Anode und eine Kathode, wo ein Katalysator angeordnet ist, für Reaktionsstellen von Wasserstoff und Sauerstoff an beiden Oberflächen des Polymerelektrolytmembran vorgesehen, und ein äußerer Abschnitt, wo die Anode und die Kathode angeordnet sind, ist mit den Gasdiffusionsschichten, einer Dichtung und dergleichen gestapelt.
  • Ein äußerer Abschnitt der Gasdiffusionsschicht wird mit Reaktionsgas wie beispielsweise Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff oder Luft als Oxidationsmittel versorgt und der äußere Abschnitt der Gasdiffusionsschicht ist mit einer Bipolarplatte versehen, die mit einem Strömungsfeld gebildet ist, wo Kühlwasser und Luft durchströmen können.
  • Eine Mehrzahl von Elementarzellen wird gestapelt und dann wird der äußerste Abschnitt derselben mit einem Stromkollektor, einer Isolierplatte und einer Endplatte zum Tragen/Lagern der gestapelten Zellen gekoppelt, und die Elementarzellen zwischen den Endplatten werden wiederholt gestapelt und befestigt, wodurch der Brennstoffzellenstapel gebildet wird.
  • Um ein erforderliches Potential in einem realen Fahrzeug zu erhalten, kann die Anzahl der Elementarzellen basierend auf einem erforderlichen Potential variieren und ein Stapeln der Elementarzellen kann einen Stapel bilden. Da ein von einer Elementarzelle erzeugtes Potential ungefähr 1,3 V beträgt, wird eine Vielzahl von Zellen in Reihe gestapelt, um die zum Antreiben eines Fahrzeugs notwendige Leistung zu erzeugen.
  • Inzwischen kann in dem Brennstoffzellenfahrzeug eine Ausgangsspannung des Stapels verwendet werden, um einen Zustand der Brennstoffzelle zu überprüfen/diagnostizieren.
  • Die typische Vorrichtung zur Diagnose eines Zustandes eines Brennstoffzellenstapels im Stand der Technik legt eine Sinuswelle (AC) einer Mehrfrequenz an den Brennstoffzellenstapel an und misst dann eine Spannung des Brennstoffzellenstapels, erfasst eine harmonische Komponente durch Durchführen einer Frequenzumwandlung auf der gemessenen Spannung und überprüft/diagnostiziert dann den Zustand des Brennstoffzellenstapels auf der Grundlage einer Größe der harmonischen Komponente.
  • Die typische Zustandsdiagnosevorrichtung eines Brennstoffzellenstapels umfasst im Wesentlichen einen DC-DC-Wandler (Gleichspannungswandler), der eine DC-Spannung (Gleichspannung) verstärkt und einen Inverter/Wechselrichter, der die verstärkte DC-Spannung in eine AC-Spannung (Wechselspannung) umwandelt, so dass ein Gleichstrom (DC) des Brennstoffzellenstapels mit dem AC/Strom (Wechselstrom) überlappt werden kann. Die Erfassung und Diagnose können jedoch eine komplizierte Konfiguration aufweisen und somit teuer werden.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Die vorliegende Erfindung stellt technische Lösungen zu den oben genannten technischen Problemen im Stand der Technik zur Verfügung.
  • In einer Ausgestaltung wird eine Vorrichtung zur Diagnose eines Zustandes eines Brennstoffzellenstapels bereitgestellt und die Vorrichtung kann einen Zustand des Brennstoffzellenstapels ohne einen DC-DC-Wandler, der eine DC-Spannung verstärkt, und einen Inverter, der die verstärkte DC-Spannung in eine AC-Spannung umwandelt, überprüfen/diagnostizieren. Insbesondere kann die Vorrichtung den Zustand des Brennstoffzellenstapels durch Anlegen einer Rechteckwelle einer einzelnen Frequenz mit einem Tastverhältnis von ungefähr 0,5 an den Brennstoffzellenstapel, Messen einer Spannung des Brennstoffzellenstapels, Erfassen von geradzahlig-vielfachen harmonischen Komponenten einer Frequenz der Rechteckwelle durch Durchführen einer Frequenzumwandlung auf der gemessenen Spannung und dann Überprüfen/Diagnostizieren des Zustandes des Brennstoffzellenstapels auf der Grundlage einer Größe der erfassten harmonischen Komponenten überprüfen/diagnostizieren.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die Vorrichtung zur Diagnose des Zustandes eines Brennstoffzellenstapels umfassen: einen Treiber, der eingerichtet ist, um einen Leistungstransistor auf der Grundlage einer Ansteuerfrequenz ein- und auszuschalten; wobei der Leistungstransistor eingerichtet ist, um auf der Grundlage einer Steuerung des Treibers angesteuert zu werden, so dass eine Rechteckwellen-Stromkomponente einer einzelnen Frequenz mit einem Tastverhältnis von ungefähr 0,5 in einem Strom des Brennstoffzellenstapels umfasst ist; und eine Diagnosesteuerung, die eingerichtet ist, um die Ansteuerfrequenz einzustellen, eine Spannung des Brennstoffzellenstapels zu messen und die Spannung in eine Frequenz umzuwandeln, so dass geradzahlig-vielfache harmonische Komponenten der Rechteckwellenfrequenz erfasst werden können, und einen Zustand des Brennstoffzellenstapels auf der Grundlage der erfassten harmonischen Komponenten zu überprüfen/diagnostizieren.
  • In einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann eine Zustandsdiagnosevorrichtung eines Brennstoffzellenstapels umfassen: einen Rechteckwellengenerator, der eingerichtet ist, um eine Rechteckwelle einer einzelnen Frequenz mit einem Tastverhältnis von ungefähr 0,5 zu erzeugen; einen Leistungstransistor, der eingerichtet ist, um in Abhängigkeit von einer von dem Rechteckwellengenerator ausgegebenen Rechteckwelle angesteuert zu werden, so dass eine Rechteckwellen-Stromkomponente einer einzelnen Frequenz mit einem Tastverhältnis von ungefähr 0,5 in einem Strom des Brennstoffzellenstapels umfasst sein kann; und eine Diagnosesteuerung, die eingerichtet ist, um eine Frequenz und einen Amplitudenwert der Rechteckwelle einzustellen, eine Spannung des Brennstoffzellenstapels zu messen und dann die Spannung in eine Frequenz umzuwandeln, so dass geradzahlig-vielfache harmonische Komponenten der Rechteckwellenfrequenz erfasst werden können, und einen Zustand des Brennstoffzellenstapels auf der Grundlage einer Größe der erfassten harmonischen Komponenten zu überprüfen/diagnostizieren.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die obigen und weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlicher.
  • 1 zeigt eine beispielhafte Vorrichtung zur Diagnose eines Zustandes eines Brennstoffzellenstapels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 2 zeigt eine beispielhafte Rechteckwelle einer einzelnen Frequenz mit einem Tastverhältnis von ungefähr 0,5 in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 3 zeigt einen beispielhaften Graphen von Spannungs- und Strom-Kennlinien des Brennstoffzellenstapels, wenn die Rechteckwelle einer einzelnen Frequenz mit einem Tastverhältnis von ungefähr 0,5 angelegt wird, in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 4 zeigt ein beispielhaftes Amplituden-Diagramm, das durch Durchführen einer Frequenzumwandlung auf einer Spannung des Brennstoffzellenstapels von 3 erhalten wird, in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 5 zeigt ein beispielhaftes Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Spannung des Brennstoffzellenstapels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und einer Größe einer harmonischen Komponente darstellt;
  • 6 stellt eine beispielhaftes Diagnosesteuerung einer beispielhaften Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar; und
  • 7 zeigt eine beispielhafte Vorrichtung eines Brennstoffzellenstapels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Die hierin verwendete Terminologie ist nur zum Zwecke der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen vorgesehen und ist nicht als Einschränkung gedacht. 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/umfassen” und/oder ”aufweisend/umfassend”, 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 ”etwa/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. ”Etwa/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 ”etwa/ungefähr” verändert.
  • Die vorhergehenden Aufgaben, Merkmale und Vorteile werden aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen deutlicher, die im Folgenden dargelegt werden. Demzufolge werden diejenigen mit gewöhnlichen Kenntnissen im Stand der Technik, zu dem die vorliegende Offenbarung gehört, technische Ideen oder die Lehre der vorliegenden Erfindung leicht ausbilden. Ferner, wenn technische Konfigurationen, die im Stand der Technik bekannt sind, derart angesehen werden, dass sie den Inhalt der vorliegenden Erfindung unklar werden lassen, wird die ausführliche Beschreibung derselben weggelassen. Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen im Detail beschrieben.
  • 1 zeigt eine beispielhafte Vorrichtung zur Diagnose eines Zustandes eines Brennstoffzellenstapels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • Wie in 1 dargestellt, umfasst eine Zustandsdiagnosevorrichtung eines Brennstoffzellenstapels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung einen Brennstoffzellenstapel 10, eine Diagnosesteuerung 20, einen Treiber 30, einen Leistungstransistor 40, einen Widerstand 50 und eine Last 60.
  • Wie hierin beschrieben, versorgt der Brennstoffzellenstapel 10 die Last 60 mit Energie. Die Last 60 bezieht sich auf einen Teil, der durch Aufnehmen von Leistung von einem Motor, einer Motorsteuerung und dem Brennstoffzellenstapel 10, die in einem Brennstoffzellenfahrzeug umfasst sind, und dergleichen betrieben wird.
  • Die Diagnosesteuerung 20 kann eine Ansteuerfrequenz des Treibers 30 bestimmen. Wie hierin verwendet, bezieht sich die Ansteuerfrequenz auf eine Ansteuerfrequenz zum Diagnostizieren/Überprüfen eines Stapels mit einem Tastverhältnis von ungefähr 0,5.
  • Der Treiber 30 kann den Leistungstransistor 40 nach Maßgabe der Diagnosesteuerung 20 ein-/ausschalten. Insbesondere kann der Treiber 30 einen Strom mit einem Tastverhältnis von ungefähr 0,5 an eine Basis B des Leistungstransistors 40 auf der Grundlage der durch die Diagnosesteuerung 20 eingestellten Ansteuerfrequenz anlegen oder unterbrechen.
  • Wenn der Leistungstransistor 40 durch den Treiber 30 eingeschaltet wird, kann ein Saugstrom IINAC von einem Kollektor C zu einem Emitter E fließen und wenn der Leistungstransistor 40 durch den Treiber ausgeschaltet wird, kann der Saugstrom IINAC von dem Kollektor C zu dem Emitter E nicht fließen. Wie hierin verwendet, bezieht sich der an dem Kollektor C eingegebene Saugstrom auf einen Strom, der von einem an den Brennstoffzellenstapel 10 zugeführten Stapelstrom ISTAPEL abgezweigt wird, und der Laststrom ILAST kann ein Stromwert sein, der durch Subtrahieren des Saugstromes von dem Stapelstrom erhalten wird. Ein Emitteranschluss kann mit Widerstand 50 verbunden werden.
  • Durch Wiederholen des Prozesses zum Anlegen und Unterbrechen des Saugstromes im gleichen Zeitintervall durch den Leistungstransistor 40 kann die Rechteckwelle der einzelnen Frequenz mit dem Tastverhältnis von ungefähr 0,5 an den Brennstoffzellenstapel 10 angelegt werden.
  • Nachstehend wird die Rechteckwelle der einzelnen Frequenz mit dem Tastverhältnis von ungefähr 0,5 unter Bezugnahme auf 2 beschrieben.
  • Wie in 2 dargestellt, kann die Rechteckwelle der einzelnen Frequenz das Tastverhältnis von ungefähr 0,5, eine Periode T, einen Amplitude 2k und eine Frequenz ω aufweisen. Wenn die Rechteckwelle der einzelnen Frequenz einer Fourier-Transformation unterzogen wird, kann die Rechteckwelle durch ungeradzahlig-vielfache (ω, 3ω, 5ω, 7ω, ...) Komponenten einer Frequenz ω der Rechteckwelle dargestellt werden, wie dies durch Gleichung 1 dargestellt ist.
  • Demzufolge, wenn der Rechteckwellenstrom der einzelnen Frequenz mit dem Tastverhältnis von ungefähr 0,5 an den Brennstoffzellenstapel 10 angelegt wird, kann der Rechteckwellenstrom, der einem ungeradzahlig Vielfachen der angelegten Frequenz entspricht, angelegt werden.
  • [Gleichung 1]
    • F(t) = 4k / π(sinwt + 1 / 3sin3wt + 1 / 5sin5wt...)
  • In Gleichung 1 bezieht sich t auf eine Zeit und k bezieht sich auf eine Konstante.
  • Indessen kann die Diagnosesteuerung 20 die Spannung des Brennstoffzellenstapels 10 messen und dann die gemessene Spannung in eine Frequenz umwandeln, um geradzahlig-vielfache harmonische Komponenten der Rechteckwellenfrequenz zu erfassen und um den Zustand des Brennstoffzellenstapels 10 auf der Grundlage einer Größe der erfassten harmonischen Komponenten zu diagnostizieren/überprüfen.
  • Nachstehend werden mehrfache harmonische Komponenten der Rechteckwellenfrequenz, die zum Diagnostizieren/Überprüfen des Brennstoffzellenstapels 10 verwendet werden, unter Bezugnahme auf 3 und 4 beschrieben.
  • 3 zeigt einen beispielhaften Graphen von Spannungs- und Strom-Kennlinien des Brennstoffzellenstapels, an dem die Rechteckwelle einer einzelnen Frequenz mit einem Tastverhältnis von ungefähr 0,5 angelegt wird, in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • 4 zeigt ein beispielhaftes Amplituden-Diagramm, das durch Durchführen einer Frequenzumwandlung auf einer Spannung des Brennstoffzellenstapels von 3 erhalten wird.
  • Wie in 3 dargestellt, kann eine Spannung 310 einer normalen Zelle in einem linearen Abschnitt geändert werden, und eine Spannung 320 einer anormalen Zelle kann in einem nichtlinearen Abschnitt geändert werden.
  • Ein plötzlicher Spannungsabfall der Zelle kann aufgrund eines Defekts der Zelle auftreten und wenn an die Zelle der Rechteckwellen-(Diagnosestrom) der einzelnen Frequenz mit einem Tastverhältnis von 0,5 angelegt wird, kann ein nichtlineares Antwortsignal, wo die geradzahl-vielfachen Oberwellen der angelegten Frequenz oder Rechteckwellenfrequenz nur in der anormalen Zelle abgetastet werden, erscheinen/auftreten. In 4 bezieht sich das Bezugszeichen '410' auf eine Eingangsfrequenz, eine durchgezogene Linie mit Ausnahme des Bezugszeichens '410' bezieht sich auf nicht-lineare Oberwellen und eine gestrichelte Linie bezieht sich auf eine rechteckige Komponente.
  • Demzufolge kann der Zellenzustand einschließlich eines normalen und anormalen Zellenzustandes auf der Grundlage einer Bestimmung darüber, ob die geradzahlig-vielfachen harmonischen Komponenten der Rechteckwellenfrequenz vorhanden sind, und der Größe der geradzahlig-vielfache harmonischen Komponenten der Rechteckwellenfrequenz diagnostiziert/überprüft werden.
  • Dementsprechend kann die Spannung der normalen Zelle einen kleinen Betrag der geradzahlig-vielfachen harmonischen Komponenten der Rechteckwellenfrequenz aufgrund der Änderung des Stromes aufweisen, aber die Spannung der anormalen Zelle kann den großen Betrag der geradzahlig-vielfachen harmonischen Komponenten der Rechteckwellenfrequenz aufgrund der Stromänderung aufweisen.
  • Folglich kann die Spannung des Brennstoffzellenstapels als eine Summe der Spannung der normalen Zelle und die Spannung der anormalen Zelle gemessen werden, und der Zustand des Brennstoffzellenstapels kann auf der Grundlage einer Frequenzanalyse der Spannung des Brennstoffzellenstapels mit den geradzahlig-vielfachen harmonischen Komponenten der Rechteckwellenfrequenz diagnostiziert/überprüft werden.
  • 5 zeigt einen beispielhaften Graphen, der eine Beziehung zwischen der Spannung des Brennstoffzellenstapels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und einer Größe (Betrag) einer harmonischen Komponente darstellt.
  • Eine Nichtlinearität kann als die harmonische Komponente zum Zeitpunkt der Frequenzanalyse dargestellt werden. Wie in 5 dargestellt, kann während eines normalen Betriebsabschnitts (Luft SR 3 Abschnitt) des Brennstoffzellenstapels 10 eine Spannung 510 des Brennstoffzellenstapels 10 hoch sein und eine Oberwellenamplitude 520 klein sein. Im Gegensatz dazu kann während eines anormalen Betriebsabschnitts (Luft SR 1,5 Abschnitt) des Brennstoffzellenstapels 10 die Spannung 510 des Brennstoffzellenstapels 10 klein sein und die Oberwellenamplitude 520 kann groß sein.
  • Demzufolge kann der Zustand des Brennstoffzellenstapels 10, dass er normal oder anormal ist, durch Bestimmen eines Schwellenwerts der Oberwellenamplitude diagnostiziert/überprüft werden.
  • 6 stellt eine beispielhafte Diagnosesteuerung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar.
  • Wie in 6 dargestellt, kann die Diagnosesteuerung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine Spannungsmessvorrichtung 210, einen Spannungs-Frequenz-Wandler (voltage-frequency converter – VF-Wandler) 220 und eine Diagnosevorrichtung 230.
  • Die Spannungsmessvorrichtung 210 kann eine Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 10 messen.
  • Der VF-Wandler 220 kann eine durch die Spannungsmessvorrichtung 210 gemessene Spannung in eine Frequenz auf der Grundlage einer Fast-Fourier-Transformation (FFT) umwandeln.
  • Die Diagnosevorrichtung 230 kann den Zustand des Brennstoffzellenstapels 10 auf der Grundlage der Größe (Betrag) der harmonischen Komponente in der durch den VF-Wandler 220 umgewandelten Frequenz diagnostizieren/überprüfen.
  • Als solche kann die Diagnosevorrichtung 230 bestimmen, dass der Zustand des Brennstoffzellenstapels 10 anormal ist, wenn der Betrag der harmonischen Komponente größer als eine erster Schwellenwert ist. Die Diagnosevorrichtung 230 kann bestimmen, dass der Zustand des Brennstoffzellenstapels 10 normal ist, wenn der Betrag der harmonischen Komponente nicht größer als ein zweiter Schwellenwert ist. Insbesondere kann der erste Schwellenwert einen größeren Wert als der zweite Schwellenwert aufweisen, aber der erste Schwellenwert kann gleich dem zweiten Schwellenwert sein.
  • 7 zeigt eine beispielhafte Vorrichtung zum Diagnostizieren/Überprüfen eines Zustandes eines Brennstoffzellenstapels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • Wie in 7 dargestellt, umfasst die Vorrichtung zur Diagnose eines Zustandes eines Brennstoffzellenstapels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung den Brennstoffzellenstapel 10, die Diagnosesteuerung 20, den Leistungstransistor 40, die Last 60 und einen Rechteckwellengenerator 70.
  • Der Brennstoffzellenstapel 10 versorgt die Last 60 mit Energie. Wie oben beschrieben, bezieht sich die Last 60 auf einen Teil, der durch Aufnehmen von Leistung von einem Motor, einer Motorsteuerung und dem Brennstoffzellenstapel 10, die in einem Brennstoffzellenfahrzeug umfasst sind, und dergleichen betrieben wird.
  • Die Diagnosesteuerung 20 kann eine Frequenz und einen Amplitudenwert einer Rechteckwelle bestimmen.
  • Der Rechteckwellengenerator 70 kann die Rechteckwelle nach Maßgabe der Diagnosesteuerung 20 erzeugen. Insbesondere kann der Rechteckwellengenerator 70 die Rechteckwelle der einzelnen Frequenz mit dem Tastverhältnis von ungefähr 0,5 erzeugen.
  • Wenn der Leistungstransistor 40 die Rechteckwelle von dem Rechteckwellengenerator 70 durch einen Basisanschluss B empfängt, kann ein Strom von dem Kollektor C an den Emitter E fließen oder ein Strom kann nicht von dem Kollektor C zu dem Emitter E fließen.
  • Wenn der Prozess zum Anlegen und Unterbrechen des Stromes durch die Rechteckwelle wiederholt wird, kann die Rechteckwelle der einzelnen Frequenz mit dem Tastverhältnis von ungefähr 0,5 an den Brennstoffzellenstapel 10 angelegt werden. Insbesondere kann der durch den Leistungstransistor 40 fließende Strom ein Strom in einem Verstärkungsbereich des Leistungstransistors 40 sein und kann gemäß einem Verstärkungsverhältnis des Basisstroms fließen.
  • Als solcher kann der Leistungstransistor 40 ein Element sein, das in Abhängigkeit von einem von dem Rechteckwellengenerator 70 oder Rechtecksignalgenerator 70 ausgegebenen Rechtecksignal angesteuert wird, so dass die Rechteckwellen-Stromkomponente für eine Diagnose in dem Strom des Brennstoffzellenstapels 10 umfasst oder überlappt werden kann, und somit kann die Diagnosesteuerung 20 den Zustand des Brennstoffzellenstapels 10 auf der Grundlage der Spannung des Brennstoffzellenstapels 10 mit der die Last durchlaufenden Rechteckwellen-Stromkomponente diagnostizieren/überprüfen.
  • Die Diagnosesteuerung 20 kann die Spannung des Brennstoffzellenstapels 10 messen und dann die gemessene Spannung in eine Frequenz umwandeln, um geradzahlig-vielfache harmonische Komponenten der Rechteckwellenfrequenz zu erfassen und um den Zustand des Brennstoffzellenstapels 10 auf der Grundlage einer Größe (Betrag) der erfassten harmonischen Komponenten zu diagnostizieren/überprüfen.
  • Der Betrieb der Diagnosesteuerung 20 kann der Betrieb der oben beschriebenen Diagnosesteuerung 20 sein.
  • Gemäß verschiedene Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann der Zustand des Brennstoffzellenstapels ohne den DC-DC-Wandler, der die DC-Spannung verstärkt, und den Inverter, der die verstärkte DC-Spannung in die AC-Spannung umwandelt, diagnostiziert/überprüft werden. Insbesondere kann der Zustand des Brennstoffzellenstapels durch Anlegen der Rechteckwelle der einzelnen Frequenz mit dem Tastverhältnis von ungefähr 0,5 an den Brennstoffzellenstapel, Messen der Spannung des Brennstoffzellenstapels, Erfassen der geradzahlig-vielfachen harmonischen Komponenten der Frequenz der Rechteckwelle durch Durchführen der Frequenzumwandlung auf der gemessenen Spannung und dann Diagnostizieren/Überprüfen des Zustandes des Brennstoffzellenstapels auf der Grundlage der Größe (Betrag) der erfassten harmonischen Komponenten diagnostiziert/überprüft werden.
  • Die vorliegende Erfindung, die oben beschrieben wird, kann auf verschiedene Weise durch einen Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet, zu dem die vorliegende Erfindung gehört, ersetzt/ausgetauscht, verändert und modifiziert werden, ohne von dem Umfang und der Lehre der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Demzufolge ist die vorliegende Erfindung nicht auf die oben erwähnten Ausführungsbeispiele und die beigefügten Zeichnungen beschränkt.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    BRENNSTOFFZELLENSTAPEL
    20
    DIAGNOSESTEUERUNG
    30
    TREIBER
    60
    LAST
    70
    RECHTECKWELLENGENERATOR
    210
    SPANNUNGSMESSVORRICHTUNG
    220
    VF-WANDLER
    230
    DIAGNOSEVORRICHTUNG

Claims (10)

  1. Vorrichtung zur Diagnose eines Zustandes eines Brennstoffzellenstapels, aufweisend: einen Treiber, der eingerichtet ist, um einen Leistungstransistor auf der Grundlage einer Ansteuerfrequenz ein- und auszuschalten; einen Leistungstransistor, der auf der Grundlage einer Steuerung des Treibers angesteuert wird, so dass eine Rechteckwellen-Stromkomponente einer einzelnen Frequenz in einem Strom des Brennstoffzellenstapels umfasst ist; und eine Diagnosesteuerung, die eingerichtet ist, um die Ansteuerfrequenz einzustellen, eine Spannung des Brennstoffzellenstapels zu messen und die Spannung in eine Frequenz umzuwandeln, um geradzahlig vielfache harmonische Komponenten der Rechteckwellenfrequenz zu erfassen, und einen Zustand des Brennstoffzellenstapels auf der Grundlage der erfassten harmonischen Komponenten zu überprüfen.
  2. Zustandsdiagnosevorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Diagnosesteuerung eingerichtet ist, um: eine Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels zu messen; die gemessene Ausgangsspannung in die Frequenz umzuwandeln; und den Zustand des Brennstoffzellenstapels auf der Grundlage der Größe von geradzahlig-vielfachen harmonischen Komponenten der Rechteckwellenfrequenz in der umgewandelten Frequenz zu überprüfen.
  3. Zustandsdiagnosevorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Diagnosesteuerung eingerichtet ist, um zu bestimmen, dass der Zustand des Brennstoffzellenstapels anormal ist, wenn die Größe der geradzahlig-vielfachen harmonischen Komponenten der Rechteckwellenfrequenz größer als ein erster Schwellenwert ist, und zu bestimmen, dass der Zustand des Brennstoffzellenstapels normal ist, wenn die Größe der geradzahlig-vielfachen harmonischen Komponenten der Rechteckwellenfrequenz kleiner als ein zweiter Schwellenwert ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der erste Schwellenwert einen größeren Wert als der zweite Schwellenwert aufweist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Rechteckwellen-Stromkomponente einer einzelnen Frequenz ein Tastverhältnis von ungefähr 0,5 aufweist.
  6. Vorrichtung eines Brennstoffzellenstapels, aufweisend: einen Rechteckwellengenerator, der eingerichtet ist, um eine Rechteckwelle einer einzelnen Frequenz zu erzeugen; einen Leistungstransistor, der eingerichtet ist, um basierend auf der von dem Rechteckwellengenerator ausgegebenen Rechteckwelle angesteuert zu werden, so dass eine Rechteckwellen-Stromkomponente der einzelnen Frequenz in einem Strom des Brennstoffzellenstapels umfasst ist; und eine Diagnosesteuerung, die eingerichtet ist, um eine Frequenz und einen Amplitudenwert der Rechteckwelle einzustellen, eine Spannung des Brennstoffzellenstapels zu messen und die Spannung in eine Frequenz umzuwandeln, um geradzahlig-vielfache harmonische Komponenten der Rechteckwellenfrequenz zu erfassen, und einen Zustand des Brennstoffzellenstapels auf der Grundlage einer Größe der erfassten harmonischen Komponenten zu überprüfen.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Diagnosesteuerung eingerichtet ist, um: eine Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels zu messen; die gemessene Spannung in die Frequenz umzuwandeln; und den Zustand des Brennstoffzellenstapels auf der Grundlage der Größe von geradzahlig-vielfachen harmonischen Komponenten der Rechteckwellenfrequenz in der umgewandelten Frequenz zu überprüfen.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Diagnosesteuerung eingerichtet ist, um zu bestimmen, dass der Zustand des Brennstoffzellenstapels anormal ist, wenn die Größe der geradzahlig-vielfachen harmonischen Komponenten der Rechteckwellenfrequenz größer als ein erster Schwellenwert ist, und zu bestimmen, dass der Zustand des Brennstoffzellenstapels normal ist, wenn die Größe der geradzahlig-vielfachen harmonischen Komponenten der Rechteckwellenfrequenz kleiner als ein zweiter Schwellenwert ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der erste Schwellenwert einen größeren Wert als der zweite Schwellenwert aufweist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Rechteckwellen-Stromkomponente einer einzelnen Frequenz ein Tastverhältnis von ungefähr 0,5 aufweist.
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