DE102015220062A1 - Verfahren zum Abschätzen einer Leistung einer Brennstoffzelle - Google Patents

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Abstract

Hierin ist ein Verfahren zum Abschätzen der Leistung einer Brennstoffzelle offenbart. Das Verfahren umfasst ein Abschätzen eines Vorhersagestroms bei einer vorbestimmten Spannung in einer Steuereinheit, basierend auf einer vorliegenden Strom-Spannungs-Kennlinie der Brennstoffzelle, während die Temperatur der Brennstoffzelle erhöht wird, ein Abschätzen einer ersten Leistung, basierend auf dem abgeschätzten Vorhersagestrom und der Vorhersagespannung, nach dem Abschätzungsschritt des Vorhersagestroms, ein Abschätzen einer zweiten Leistung basierend auf einem Zellspannungsverhältnis, während dem Abschätzen der ersten Leistung, und Berechnen einer verfügbaren Leistung der Brennstoffzelle, basierend auf der ersten Leistung und der zweiten Leistung, nachdem der Abschätzungsschritt der ersten Leistung und der Abschätzungsschritt der zweiten Leistung ausgeführt sind.

Description

  • HINTERGRUND
  • 1. Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abschätzen einer Leistung einer Brennstoffzelle, welche in Echtzeit eine verfügbare Leistung der Brennstoffzelle abschätzt, um zu bestimmen, ob ein Kaltstart abgeschlossen werden kann, während die Temperatur der Brennstoffzelle für den Kaltstart erhöht wird.
  • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • Die Aussagen in dieser Sektion stellen lediglich Hintergrundinformationen betreffend die vorliegende Offenbarung dar und können keinen Stand der Technik bilden.
  • Wenn Wasser innerhalb einer Brennstoffzelle aufgrund einer niedrigen Temperatur gefriert, ist ein Temperaturerhöhungsprozess notwendig, um eine Leistung der Brennstoffzelle sicherzustellen.
  • 1 ist ein Graph, welcher eine Variation in einer Leistungsausgabe einer Brennstoffzelle darstellt, während die Temperatur der Brennstoffzelle entsprechend dem Stand der Technik erhöht wird. Mit Bezug zu 1 gibt bei dem Beginn des Temperaturerhöhungsprozesses der Brennstoffzellenstapel bei einem niedrigen Temperaturzustand die Leistungsfähigkeit, wie durch die Punkte auf der Linie ➀ dargestellt, aus. Während der Temperaturerhöhungsprozess abläuft, erhöht sich die Stapelspannung graduell mit einem beinahe konstanten Strom wie in Linie ➁. Dann, wenn der Temperaturerhöhungsprozess abgeschlossen ist, wird die Leistung durch die Punkte auf der Linie ➂ wiedergegeben. Mit anderen Worten, wenn die Brennstoffzelle, welche die als Linie ➀ dargestellte Stapelleistung aufweist, eine zum Betreiben eines Fahrzeugs notwendige Leistung nicht ausgeben kann, schreitet der Temperaturerhöhungsprozess voran, bis die Brennstoffzelle die als Linie ➂ dargestellte Stapelleistung aufweist.
  • Allerdings ist die Leistung der Brennstoffzelle während des Temperaturerhöhungsprozesses gering im Vergleich zu der zum Betreiben eines Fahrzeugs notwendigen Leistung. Dies liegt daran, dass die Leistung des Stapels unterhalb den für einen normalen Betrieb von Hochspannungskomponenten notwendigen Spannungsbedingungen abfällt, wenn ein Strom zum Betreiben des Fahrzeugs angelegt wird.
  • Mit anderen Worten ist es notwendig, den Temperaturerhöhungsbetrieb fortzufahren, bis die Leistung der Brennstoffzelle die zum Betreiben des Fahrzeugs notwendige Leistung erreicht. Allerdings, da die Technik zum Feststellen des Grads einer Temperaturerhöhung oder einer verfügbaren Leistung der Brennstoffzelle während des Temperaturerhöhungsbetriebs unzureichend ist, kann ein Start der Zündung übermäßig verzögert werden, bis die Temperatur ausreichend erhöht ist.
  • Das vorstehende ist lediglich dazu gedacht, dem Verständnis des Hintergrunds der vorliegenden Offenbarung zu helfen, und ist nicht dazu gedacht, dass die vorliegende Offenbarung innerhalb des Bereichs des Standes der Technik fällt, welcher bereits dem Fachmann bekannt ist.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Entsprechend wurde die vorliegende Offenbarung unter Berücksichtigung des obigen Problems gemacht und eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung ist es, ein Verfahren zum Abschätzen einer Leistung einer Brennstoffzelle zum Minimieren einer Zündungsstartverzögerung bereitzustellen, welche einen Abschluss eines Kaltstarts bei einer angemessenen Zeit durch Abschätzen einer verfügbaren Leistung der Brennstoffzelle basierend auf einer Strom-Spannungs-Kennlinie und einem Zellspannungsverhältnis ermöglicht, während die Temperatur der Brennstoffzelle für den Kaltstart erhöht wird.
  • Um die obige Aufgabe zu lösen, kann ein Verfahren zum Abschätzen einer Leistung einer Brennstoffzelle entsprechend der vorliegenden Erfindung umfassen: Abschätzen eines Vorhersagestroms bei einer vorbestimmten Spannung in einer Steuereinheit, basierend auf einer aktuellen Strom-Spannungs-Kennlinie einer Brennstoffzelle, während eine Temperatur der Brennstoffzelle erhöht wird; Abschätzen einer ersten Leistung, basierend auf dem abgeschätzten Vorhersagestrom und der vorbestimmten Spannung, nach dem Abschätzen des Vorhersagestroms; Abschätzen einer zweiten Leistung, basierend auf einer Zellspannungsverhältnis, während einem Abschätzen der ersten Leistung; und Berechnen einer verfügbaren Leistung der Brennstoffzelle, basierend auf der ersten Leistung und der zweiten Leistung, nachdem ein Abschätzen der ersten Leistung und ein Abschätzen der zweiten Leistung ausgeführt sind.
  • Weiter ist ein Bestimmen, ob ein Motorstart ein Kaltstart ist, vor einem Abschätzen des Vorhersagestroms umfasst und, wenn bestimmt ist, dass der Motorstart ein Kaltstart ist, kann ein Abschätzen des Vorhersagestroms ausgeführt werden, nachdem ein Temperaturerhöhungsbetrieb der Brennstoffzelle ausgeführt ist.
  • Die vorherbestimmte Spannung ist eine Referenzspannung, welche geeignet ist Hochspannungskomponenten eines Fahrzeugs zu betreiben.
  • Der Vorhersagestrom wird basierend auf einem Strom-Spannungs-Gradienten abgeschätzt, welcher durch die vorliegende Strom-Spannungs-Kennlinie der Brennstoffzelle vorbestimmt wird, während die Temperatur der Brennstoffzelle erhöht wird.
  • Das Zellspannungsverhältnis ist ein Verhältnis einer niedrigsten Spannung von mehreren Zellen zu einer Durchschnittsspannung der mehreren Zellen und erhöht sich mit einer Erhöhung in einer Spannung einer die niedrigste Spannung ausgebenden Zelle.
  • Die zweite Leistung erhöht sich mit einer Erhöhung in dem Zellspannungsverhältnis.
  • Die zweite Leistung wird als ein positiver Wert bei dem Zellspannungsverhältnis gleich oder größer als ein erster Referenzwert, als gleich Null bei dem Zellspannungsverhältnis gleich oder größer als ein zweiter Referenzwert und geringer als der erster Referenzwert und als ein negativer Wert bei dem Zellspannungsverhältnis geringer als der zweite Referenzwert abgeschätzt.
  • Die verfügbare Leistung der Brennstoffzelle ist eine Summe der ersten Leistung und der zweiten Leistung.
  • Entsprechend dem Verfahren zum Abschätzen einer Leistung einer Brennstoffzelle, welche entsprechend der obigen Beschreibung ausgebildet ist, kann, wenn eine verfügbare Leistung der Brennstoffzelle abgeschätzt ist, ein Beginn einer Zündung bei einer angemessenen Zeit abgeschlossen werden, wodurch eine Zündungsstartverzögerung minimiert werden kann.
  • Ebenso kann, wenn eine verfügbare Leistung der Brennstoffzelle durch Berücksichtigen eines Zellspannungsverhältnisses ebenso wie einer Strom-Spannungs-Kennlinie abgeschätzt wird, während die Temperatur der Brennstoffzelle erhöht wird, die verfügbare Leistung der Brennstoffzelle genau abgeschätzt werden, um die Zeit zu berechnen, wenn ein Start der Zündung abgeschlossen ist.
  • Weitere Bereiche einer Anwendbarkeit werden aus der hierin bereitgestellten Beschreibung deutlich werden. Es sollte verstanden werden, dass die Beschreibung und bestimmte Beispiele nur zum Zwecke einer Darstellung gedacht sind und nicht dazu gedacht sind den Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung zu beschränken.
  • FIGUREN
  • Damit die Offenbarung gut verstanden werden wird, werden nun verschiedene Formen davon beschrieben werden, welche beispielhaft gegeben sind, wobei Bezug auf die beiliegenden Figuren genommen wird, wobei:
  • 1 ein Graph ist, welcher eine Variation in einer Leistungsausgabe einer Brennstoffzelle darstellt, während die Temperatur der Brennstoffzelle erhöht wird, entsprechend dem Stand der Technik;
  • 2 ein Flussdiagramm zum Darstellen eines Verfahrens zum Abschätzen einer Leistung einer Brennstoffzelle ist;
  • 3 bis 4 Graphen zum Darstellen eines Verfahrens zum Abschätzen einer ersten Leistung in einem Verfahren zum Abschätzen einer Leistung einer Brennstoffzelle sind; und
  • 5 ein Graph zum Darstellen eines Verfahrens zum Abschätzen einer zweiten Leistung in einem Verfahren zum Abschätzen der Leistung einer Brennstoffzelle fügte sein.
  • 6 ist ein Blockdiagramm zur Darstellung einer Vorrichtung zum Abschätzen einer Leistung einer Brennstoffzelle.
  • DETAILBESCHREIBUNG
  • Nachfolgend wird ein Verfahren zum Abschätzen einer Leistung einer Brennstoffzelle entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug zu den beiliegenden Figuren beschrieben. 2 ist ein Flussdiagramm zur Darstellung eines Verfahrens zum Abschätzen einer Leistung einer Brennstoffzelle entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; 3 bis 4 sind Graphen zum Darstellen eines Verfahrens zum Abschätzen einer ersten Leistung in einem Verfahren zum Abschätzen einer Leistung einer Brennstoffzelle entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; 5 ist ein Graph zum Darstellen eines Verfahrens zum Abschätzen einer zweiten Leistung in einem Verfahren zum Abschätzen einer Leistung einer Brennstoffzelle entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; und 6 ist ein Blockdiagramm zum Darstellen einer Vorrichtung zum Abschätzen einer Leistung einer Brennstoffzelle entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
  • Bezugnehmend auf die 2 bis 6 kann ein Verfahren zum Abschätzen einer Leistung einer Brennstoffzelle umfassen:
    Abschätzen eines Vorhersagestroms bei einer vorbestimmten Spannung in einer Steuereinheit basierend auf einer vorliegenden Strom-Spannungs-Kennlinie, während die Temperatur der Brennstoffzelle erhöht wird (S120); Abschätzen einer ersten Leistung basierend auf dem abgeschätzten Vorhersagestrom und der vorbestimmten Spannung nach dem Abschätzen des Vorhersagestroms S120 (S130); Abschätzen einer zweiten Leistung basierend auf einem Zellspannungsverhältnis, während die erste Leistung bei S130 abgeschätzt wird (S140); und Berechnen einer verfügbaren Leistung der Brennstoffzelle basierend auf der ersten Leistung der zweiten Leistung, nachdem das Abschätzen der ersten Leistung S130 und Abschätzen der zweiten Leistung S140 ausgeführt sind (S150). In diesem Fall ist die vorbestimmte Spannung eine Referenzspannung, welche zum Betreiben von Hochspannungskomponenten eines Fahrzeugs geeignet ist, und der Vorhersagestrom wird basierend auf einem Strom-Spannungs-Gradienten abgeschätzt, welcher durch die vorliegende Strom-Spannungs-Kennlinie der Brennstoffzelle vorherbestimmt ist, während die Temperatur der Brennstoffzelle erhöht wird.
  • Hierbei, wie in 6 gezeigt, ist die Steuereinheit mit der Brennstoffzelle zum Abtasten der vorliegenden Strom-Spannungs-Kennlinie einer Brennstoffzelle verbunden, während eine Temperatur der Brennstoffzelle erhöht wird, wodurch der Vorhersagestrom, die erste Leistung, die zweite Leistung und die verfügbare Leistung der Brennstoffzelle in der vorbestimmten Spannung abgeschätzt werden.
  • Zuerst, vor einem Abschätzen des Vorhersagestroms (S120) durch die Steuereinheit, wird ein Bestimmen, ob ein Motorstart ein Kaltstart ist (S100), ausgeführt. Wenn in S100 bestimmt wird, dass der Motorstart ein Kaltstart ist, kann ein Abschätzen des Vorhersagestroms (S120) ausgeführt werden, nachdem ein Temperaturerhöhungsbetrieb der Brennstoffzelle (S110) ausgeführt wird.
  • Bei S100 wird durch die Temperatur eines Kühlmittels, welches über einen Temperatursensor durch die Steuereinheit abgetastet wird, bestimmt, ob der Motorstart ein Kaltstart ist. Wenn die Temperatur des Kühlmittels gleich einer vorbestimmten Temperatur oder darunter ist, wird, da bestimmt ist, dass der Motor in einer Kaltstartbedingung ist, der Temperaturerhöhungsbetrieb, bei welchem Wasserstoff und Luft zu der Brennstoffzelle zugeführt werden, ausgeführt (S110). Andererseits wird, wenn die Temperatur des Kühlmittels oberhalb der vorbestimmten Temperatur liegt, da bestimmt ist, dass keine Kaltstartbedingung vorliegt, ein Normalstartbetrieb ausgeführt (S105).
  • Entsprechend dem Stand der Technik ändert sich eine Leistung einer Brennstoffzelle in Abhängigkeit von dem Temperaturerhöhungsprozess, wenn ein Kaltstart unternommen wird. Beim Beginn des Starts einer Zündung wird ein niedriges Spannung-zu-Strom-Verhältnis ausgegeben. Danach ändert sich die Kennlinie der Brennstoffzelle, um eine Hochspannung bei einem bestimmten Strom auszugeben, und das Spannung-zu-Strom-Verhältnis wird bei dem Abschluss des Temperaturerhöhungsprozesses hoch ausgegeben.
  • Bezugnehmend auf 3, wenn der Motor in einem Kaltstartzustand ist, wird eine Änderung in einer Leistung des Brennstoffzellenstapels entsprechend dem Temperaturerhöhungsprozess durch die Steuereinheit überprüft. Eine unterste Linie gibt die Leistung des Brennstoffzellenstapels bei dem Beginn des Startens der Zündung an und eine oberste Linie gibt die Leistung des Brennstoffzellenstapels am Ende des Temperaturerhöhungsprozesses an. Es gibt einen Unterschied eines absoluten Spannungsniveaus zwischen den zwei Linien, aber die Linien sind in Bezug auf den Spannungsgradienten, welcher sich mit der Erhöhung oder Erniedrigung der Spannung ändert, ähnlich zu einander. Die vorliegende Erfindung stellt den Gradienten als einen vorbestimmten Strom-Spannungs-Gradienten ein.
  • Folglich kann die vorliegende Erfindung die Leistungskurve, welche durch die Linie in dem Zentrum von 3 dargestellt ist, durch Anwenden des Strom-Spannungs-Gradienten, welcher durch den aktuellen Strom und Spannung vorherbestimmt ist, Abschätzen, während die Temperatur der Brennstoffzelle erhöht wird. In diesem Fall kann der Vorhersagestrom, welcher die vorbestimmte Spannung entsprechend der vorliegenden Leistung der Brennstoffzelle ausgeben kann, durch die Leistungskurve abgeschätzt werden. Die erste Leistung der verfügbaren Leistung der Brennstoffzelle, welche den Temperaturerhöhungsbetrieb ausführt, kann durch Multiplizieren des abgeschätzten Vorhersagestroms mit der vorbestimmten Spannung abgeschätzt werden.
  • 4 zeigt eine Variation in einer Leistung der Brennstoffzelle, bei welcher der Temperaturerhöhungsbetrieb länger als bei der Ausführungsform aus 3 ausgeführt wird. In der Leistungskurve der Brennstoffzelle, welche in dem Zentrum von 4 dargestellt ist, ist das Spannung-zu-Strom-Verhältnis im Vergleich zu 3 höher. Ebenso, da der aus der vorbestimmten Spannung abgeschätzte Vorhersagestrom höher ist, kann der Brennstoffzellenstapel die vorbestimmte Spannung entsprechend die zu dem Vorhersagestrom gehörende vorbestimmte Spannung ausgeben.
  • Zusätzlich kann die vorliegende Erfindung die Genauigkeit der verfügbaren Leistung der Brennstoffzelle durch Abschätzen der zweiten Leistung basierend auf dem Zellspannungsverhältnis verbessern. Hierbei ist das Zellspannungsverhältnis ein Verhältnis der niedrigsten Spannung von mehreren Zellen zu der Durchschnittsspannung der mehreren Zellen und das Zellspannungsverhältnis erhöht sich, wenn sich die Spannung einer die niedrigste Spannung ausgebenden Brennstoffzelle erhöht. Ebenso erhöht sich die zweite Leistung, wenn das Zellspannungsverhältnis höher ist.
  • Mit anderen Worten, wenn die Brennstoffzelle in einem gefrorenen Zustand bei dem Beginn des Temperaturerhöhungsprozess ist, kann es eine Zelle, welche eine relativ hohe Leistung aufweist, und eine Zelle, welche eine relativ niedrige Leistung aufweist, aufgrund von ungleichmäßigem Gefrieren geben. Wenn der Temperaturerhöhungsprozess durchgeführt wird, wird eine große Hitze in der Zelle mit der niedrigen Leistung erzeugt und die Leistung der Zelle wird stetig auf ein Normalniveau wiederhergestellt. Am Ende des Temperaturerhöhungsprozess weist das Zellspannungsverhältnis einen Wert von nahezu 1 auf.
  • Bezugnehmend zu 5, wenn das Zellspannungsverhältnis gleich oder größer als ein erster Referenzwert ist, wird die zweite Leistung als ein positiver Wert abgeschätzt; wenn das Zellspannungsverhältnis gleich oder größer als ein zweiter Referenzwert und geringer als der erste Referenzwert ist, wird die zweite Leistung als gleich Null (0) abgeschätzt; und, wenn das Zellspannungsverhältnis geringer als der zweite Referenzwert ist, wird die zweite Leistung als ein negativer Wert abgeschätzt. Wenn die praktisch abgeschätzte erste Leistung entsprechend dem Zellspannungsverhältnis erhöht oder erniedrigt wird, kann die Genauigkeit der ersten Leistung verringert werden.
  • Die verfügbare Leistung der Brennstoffzelle kann durch Addieren der ersten Leistung und der zweiten Leistung durch die Steuereinheit berechnet werden. Zusammenfassend kann die verfügbare Leistung durch Addieren der zweiten Leistung durch die Steuereinheit, welche durch Berücksichtigen der Zellspannung-Gleichmäßigkeit aus dem Zellspannungsverhältnis erhalten wird, zu der ersten Leistung, welche durch die Strom-Spannungs-Kennlinie der Brennstoffzelle abgeschätzt wird, während die Temperatur der Brennstoffzelle erhöht wird, genau abgeschätzt werden.
  • Entsprechend dem Verfahren zum Abschätzen einer Leistung der Brennstoffzelle, welche wie die obige Beschreibung ausgebildet ist, ist es möglich die verfügbare Leistung der Brennstoffzelle abzuschätzen, wodurch ein Starten der Zündung bei einer angemessenen Zeit abgeschlossen werden kann und eine unnötige Verzögerung minimiert werden kann.
  • Ebenso kann bei einem Abschätzen der verfügbaren Leistung der Brennstoffzelle, wenn ein Zellspannungsverhältnis ebenso wie die Strom-Spannungs-Kennlinie berücksichtigt wird, die verfügbare Leistung der Brennstoffzelle genauer bestimmt werden, wodurch es möglich ist eine angemessene Abschlusszeit zu berechnen.
  • Die Beschreibung dieser Offenbarung ist rein beispielhaft in ihrer Natur und somit sind Variationen, welche nicht von dem Gegenstand der Offenbarung abweichen, als innerhalb des Schutzbereichs der Offenbarung gedacht. Solche Variationen sind nicht als eine Abweichung vom Geist und Schutzbereich der Offenbarung anzusehen.

Claims (8)

  1. Ein Verfahren zum Abschätzen einer Leistung einer Brennstoffzelle, umfassend: Abschätzen eines Vorhersagestroms bei einer vorbestimmten Spannung in einer Steuereinheit, basierend auf einer vorliegenden Strom-Spannungs-Kennlinie einer Brennstoffzelle, während eine Temperatur der Brennstoffzelle erhöht wird; Abschätzen einer ersten Leistung, basierend auf dem abgeschätzten Vorhersagestrom und der vorbestimmten Spannung, nach dem Abschätzungsschritt des Vorhersagestroms; Abschätzen einer zweiten Leistung basierend auf einem Zellspannungsverhältnis, während dem Abschätzen der ersten Leistung; und Berechnen einer verfügbaren Leistung der Brennstoffzelle, basierend auf der ersten Leistung und der zweiten Leistung, nachdem der Abschätzungsschritt der ersten Leistung und der Abschätzungsschritt der zweiten Leistung ausgeführt sind.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, weiter umfassend: Bestimmen, ob ein Motorstart ein Kaltstart ist, vor dem Abschätzungsschritt des Vorhersagestroms, wobei, wenn bestimmt ist, dass der Motorstart der Kaltstart ist, der Abschätzungsschritt des Vorhersagestroms ausgeführt wird, nachdem ein Temperaturerhöhungsbetrieb der Brennstoffzelle ausgeführt ist.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die vorbestimmte Spannung eine Referenzspannung ist, welche zum Betreiben von Hochspannungskomponenten eines Fahrzeugs geeignet ist.
  4. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Vorhersagestrom basierend auf einem Strom-Spannungs-Gradienten abgeschätzt wird, welcher durch die vorliegende Strom-Spannungs-Kennlinie der Brennstoffzelle vorherbestimmt ist, während die Temperatur der Brennstoffzelle erhöht wird.
  5. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Zellspannungsverhältnis ein Verhältnis einer niedrigsten Spannung von mehreren Zellen zu einer Durchschnittsspannung der mehreren Zellen ist und sich mit einer Erhöhung in einer Spannung einer die niedrigste Spannung ausgebenden Zelle erhöht.
  6. Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei die zweite Leistung sich mit einer Erhöhung in das Zellspannungsverhältnis erhöht.
  7. Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei die zweite Leistung als ein positiver Wert, wenn das Zellspannungsverhältnis gleich oder größer als ein erster Referenzwert ist, als gleich Null, wenn das Zellspannungsverhältnis gleich oder größer als ein zweiter Referenzwert und geringer als der erste Referenzwert ist, und als ein negativer Wert, wenn das Zellspannungsverhältnis geringer als der zweite Referenzwert ist, abgeschätzt wird.
  8. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die verfügbare Leistung der Brennstoffzelle eine Summe der ersten Leistung und der zweiten Leistung ist.
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