DE102016004285A1 - Method for monitoring an electric coolant pump - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung einer elektrischen Kühlmittelpumpe (11) in einem Brennstoffzellensystem (2) oder Batteriesystem, wozu ein von der elektrischen Kühlmittelpumpe (11) aufgenommener elektrischer Strom (iist) gemessen und mit Referenzwerten (isoll) verglichen wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachung durchgeführt wird, sobald die elektrische Kühlmittelpumpe eine Mindestdrehzahl (nmin) von wenigstens 40% der Nenndrehzahl erreicht hat, wobei die Drehzahl (n) der elektrischen Kühlmittelpumpe (11) immer dann für eine vorgegebene Zeitspanne auf die Mindestdrehzahl (nmin) angehoben wird, wenn diese Mindestdrehzahl (nmin) nach einer vorgegebenen Wartezeit während des Betriebs nicht erreicht wurde.The invention relates to a method for monitoring an electric coolant pump (11) in a fuel cell system (2) or battery system, for which purpose an electrical current absorbed by the electric coolant pump (11) is measured and compared with reference values (ideal). The inventive method is characterized in that the monitoring is performed as soon as the electric coolant pump has reached a minimum speed (nmin) of at least 40% of the rated speed, wherein the speed (n) of the electric coolant pump (11) always for a predetermined period of time the minimum speed (nmin) is raised if this minimum speed (nmin) has not been reached after a predetermined waiting time during operation.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen einer elektrischen Kühlmittelpumpe in einem Brennstoffzellensystem oder Batteriesystem nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.The invention relates to a method for monitoring an electric coolant pump in a fuel cell system or battery system according to the closer defined in the preamble of claim 1.

Aus der DE 10 2011 111 945 A1 ist ein Verfahren zum Kühlen einer Brennstoffzelle mit einem flüssigen Kühlmedium bekannt. Eine Kühlmittelpumpe in einem Kühlkreislauf zum Kühlen der Brennstoffzelle wird auf das Vorhandensein von Gas im Kühlmedium und ein damit einhergehendes Trockenlaufen der Kühlmittelpumpe hin überwacht. Die Überwachung erfolgt dabei in der Art, dass die Leistungsaufnahme der Pumpe erfasst und mit einer vorgegebenen Sollleistungsaufnahme verglichen wird. Im Fall das Luft oder Gas durch die Pumpe gefördert wird, wird die Leistungsaufnahme und bei konstanter Spannung typischerweise der Strom entsprechend abfallen, wodurch schnell und zuverlässig erkannt werden kann, dass die Pumpe trockenläuft. Entsprechende Gegenmaßnahmen können eingeleitet werden, beispielsweise ein Notlaufbetrieb, das Abschalten der Brennstoffzelle oder ähnliches.From the DE 10 2011 111 945 A1 For example, a method for cooling a fuel cell with a liquid cooling medium is known. A coolant pump in a cooling circuit for cooling the fuel cell is monitored for the presence of gas in the cooling medium and a concomitant dry running of the coolant pump out. The monitoring takes place in such a way that the power consumption of the pump is detected and compared with a predetermined nominal power consumption. In case the air or gas is pumped by the pump, the power consumption and with constant voltage typically the current will fall accordingly, whereby fast and reliable it can be recognized that the pump runs dry. Corresponding countermeasures can be initiated, for example an emergency operation, switching off the fuel cell or the like.

Das Verfahren funktioniert theoretisch und prinzipiell bei alle Drehzahlen. Wie in der gattungsgemäßen Schrift bereits ausgeführt, ist es besonders günstig, das Verfahren dann anzuwenden, wenn die Drehzahl der Kühlmittelpumpe ausreichend hoch ist, beispielsweise mehr als 30–40% der Nenndrehzahl beträgt. In diesem Fall ist die Leistungsaufnahme so groß, dass der Unterschied zwischen einem Laufen der Kühlmittelpumpe mit flüssigem Kühlmedium einerseits und dem Trockenlaufen der Pumpe bei Gas in dem flüssigen Kühlmedium oder bei ausschließlich vorhandenem Gas im Bereich des Pumpenkopfes andererseits so groß ausfällt, dass er sicher, leicht und zuverlässig erkannt werden kann.The method works theoretically and in principle at all speeds. As already stated in the generic document, it is particularly favorable to use the method when the rotational speed of the coolant pump is sufficiently high, for example, more than 30-40% of the nominal rotational speed. In this case, the power consumption is so great that the difference between running the coolant pump with liquid cooling medium on the one hand and the dry running of the pump with gas in the liquid cooling medium or exclusively gas in the area of the pump head on the other hand so large that he sure can be detected easily and reliably.

In der Praxis hat sich nun jedoch gezeigt, dass der Betrieb der Kühlmittelpumpe zwar sehr dynamisch ist, weil über die Drehzahl der Kühlmittelpumpe typischerweise die Temperatur des Kühlmediums gesteuert bzw. geregelt oder in jedem Fall mitgesteuert bzw. mitgeregelt wird. In der Praxis ist es aber so, dass durchaus längere Betriebsphasen vorkommen, in denen die Drehzahl der Pumpe nicht so hoch ansteigt, dass eine zuverlässige Detektion ermöglicht wird. Dies stellt einen erheblichen Nachteil dar. Bei einem Trockenlaufen der Pumpe droht eine punktuelle oder generelle Überhitzung der Brennstoffzelle, was, wenn es nicht oder zu spät erkannt wird, zu erheblichen meist irreparablen Schäden führt.In practice, however, it has now been shown that the operation of the coolant pump is very dynamic, because the temperature of the cooling medium is typically controlled or regulated by the speed of the coolant pump or controlled in each case or mitgeregelt. In practice, however, it is the case that quite long operating phases occur in which the rotational speed of the pump does not rise so high that a reliable detection is made possible. This represents a considerable disadvantage. When the pump runs dry, there is a risk of a punctual or general overheating of the fuel cell, which, if it is not recognized or detected too late, leads to considerable irreparable damage.

Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur Überwachung einer elektrischen Kühlmittelpumpe in einem Brennstoffzellensystem oder Batteriesystem anzugeben, welches gegenüber dem gattungsgemäßen Stand der Technik weiter verbessert ist.The object of the present invention is therefore to provide a method for monitoring an electric coolant pump in a fuel cell system or battery system, which is further improved compared to the generic state of the art.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.According to the invention this object is achieved by a method having the features in claim 1. Advantageous embodiments and further developments of the method emerge from the subclaims dependent thereon.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird, vergleichbar wie bei dem Verfahren im gattungsgemäßen Stand der Technik, ein von der Pumpe aufgenommener elektrischer Strom gemessen und mit Referenzwerten verglichen, um den Trockenlauf der Pumpe zu erkennen. Erfindungsgemäß ist es so, dass die Überwachung durchgeführt wird, sobald die Kühlmittelpumpe eine Mindestdrehzahl von wenigstens 40% der Nenndrehzahl erreicht hat, wobei die Drehzahl der Pumpe immer dann für eine vorgegebene Zeitspanne auf die Mindestdrehzahl angehoben wird, wenn diese nach einer vorgegebenen Wartezeit während des Betriebs nicht erreicht wurde.In the method according to the invention, comparable to the method in the generic state of the art, an electric current picked up by the pump is measured and compared with reference values in order to detect the dry running of the pump. According to the invention, the monitoring is carried out as soon as the coolant pump has reached a minimum rotational speed of at least 40% of the rated rotational speed, the rotational speed of the pump always being raised to the minimum rotational speed for a predetermined period of time, if this is exceeded after a predetermined waiting time during the Operation was not achieved.

Über das erfindungsgemäße Verfahren wird also in besonders einfacher und vorteilhafter Weise die Messung immer dann durchgeführt, wenn die Drehzahl ausreichend hoch ist. Tritt über einen längeren Zeitraum die Mindestdrehzahl nicht für eine ausreichend lange Zeitspanne auf, dann wird die Drehzahl der Pumpe kurzzeitig, beispielsweise für einen Zeitraum von mehreren Sekunden, angehoben, um die Überwachung durchzuführen. Das erfindungsgemäße Verfahren stellt somit sicher, dass die Überwachung entweder dann durchgeführt wird, wenn für die Überwachung vorteilhafte Bedingungen vorliegen, oder dass die Bedingungen für die Überwachung in einen vorteilhaften Zustand gebracht werden, wenn sich diese Bedingungen nicht selbsttätig nach einer vorgegebenen Wartezeit von beispielsweise jeweils einer Minute einstellen.The method according to the invention thus in a particularly simple and advantageous manner, the measurement is always carried out when the speed is sufficiently high. If the minimum speed does not occur for a long enough period of time, then the speed of the pump is briefly raised, for example for a period of several seconds, to perform the monitoring. The method according to the invention thus ensures that the monitoring is carried out either when there are advantageous conditions for the monitoring, or that the conditions for the monitoring are brought into an advantageous state, if these conditions do not occur automatically after a predetermined waiting time, for example in each case one minute.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht so eine Überwachung der elektrischen Kühlmittelpumpe auf Trockenlauf zumindest einmal nach Ablauf der vorgegebenen Wartezeit, welche gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Idee ca. 40 bis 100 Sekunden, bevorzugt ca. 60 Sekunden beträgt. Die Pumpe wird dann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung für eine vorgegebene Zeitspanne von beispielsweise 3 bis 8 Sekunden, vorzugsweise ca. 5 Sekunden, auf eine ausreichend hohe Drehzahl angehoben, um so die Überwachung einfach und zuverlässig durchführen zu können.The method according to the invention thus makes it possible to monitor the electric coolant pump for dry running at least once after the predetermined waiting time, which, according to a particularly advantageous development of the idea, is about 40 to 100 seconds, preferably about 60 seconds. The pump is then raised according to an advantageous development for a predetermined period of, for example, 3 to 8 seconds, preferably about 5 seconds, to a sufficiently high speed so as to perform the monitoring simple and reliable.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird zwar vorliegend der Einfachheit halber hauptsächlich anhand eines Brennstoffzellensystems beschrieben, kann jedoch ebenso gut bei einem Batteriesystem mit Kühlsystem angewendet werden.Although the method according to the invention is described herein for the sake of simplicity mainly with reference to a fuel cell system, it can equally well be applied to a battery system with a cooling system.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es nun ferner vorgesehen sein, dass die Überwachung durch ein weiteres Signal, insbesondere ein Sensorsignal, ausgelöst wird, wobei die Überwachung oberhalb der Mindestdrehzahl durchgeführt wird, und wobei, falls die aktuelle Drehzahl kleiner als die Mindestdrehzahl ist, die aktuelle Drehzahl auf die Mindestdrehzahl angehoben wird, bevor die Überwachung durchgeführt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Überwachung kann also nicht ausschließlich nach der Wartezeit sondern auch beim Auftreten eines anderen Triggersignals, beispielsweise eines Sensorsignals, gestartet werden. According to an advantageous embodiment of the method according to the invention, it can now be further provided that the monitoring is triggered by a further signal, in particular a sensor signal, wherein the monitoring is performed above the minimum speed, and wherein if the current speed is less than the minimum speed , the current speed is raised to the minimum speed before monitoring is performed. The inventive method for monitoring can therefore not be started only after the waiting time but also when another trigger signal, for example a sensor signal, occurs.

Bei einem Brennstoffzellensystem oder Batteriesystem bzw. einem Kühlsystem für eine Brennstoffzelle oder eine Batterie ist typischerweise ein Kühlkreislauf mit einem Kühlmittelausgleichsbehälter vorhanden. Dieser Kühlmittelausgleichsbehälter hat beispielsweise einen Füllstandssensor, um im Falle eines zu niedrigen Füllstands des Kühlmittels den Nutzer des Brennstoffzellensystems oder Batteriesystems, beispielsweise den Fahrer eines Fahrzeugs, in welchem das Brennstoffzellensystem oder Batteriesystem gemäß einer besonders günstigen Verwendung zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung eingesetzt wird, zu warnen. Gleichzeitig besteht selbstverständlich die Gefahr, dass die Kühlmittelpumpe trockenläuft, wenn der Füllstandssensor im dem Kühlmittelausgleichsbehälter angesprochen hat und zu wenig Kühlmittel meldet. In dieser Situation kann nun gemäß der oben beschriebenen vorteilhaften Weiterbildung die Überwachung ebenfalls ausgelöst werden, sodass ein möglicher Sensor zur Generierung des weiteren Signals ein Füllstandssensor im Kühlmittelausgleichsbehälter ist.In a fuel cell system or battery system or a cooling system for a fuel cell or a battery, a cooling circuit with a coolant expansion tank is typically present. This coolant expansion tank has, for example, a level sensor in order to warn the user of the fuel cell system or battery system, for example the driver of a vehicle in which the fuel cell system or battery system according to a particularly favorable use for providing electrical drive power is used, in the case of too low a level of the coolant , At the same time there is of course the risk that the coolant pump runs dry when the level sensor has responded in the coolant expansion tank and reports too little coolant. In this situation, according to the advantageous development described above, the monitoring can now also be triggered, so that a possible sensor for generating the further signal is a filling level sensor in the coolant equalizing tank.

Wie bereits angedeutet, kann das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem oder Batteriesystem insbesondere in einem Fahrzeug zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung eingesetzt werden. Bei einem derartigen Brennstoffzellensystem oder Batteriesystem eignet sich die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders gut, da durch das erfindungsgemäße Verfahren sehr schnell und sehr zuverlässig ein Trockenlaufen der Kühlmittelpumpe erkannt werden kann. In diesem Fall liegt entweder eine Leckage innerhalb des Brennstoffzellensystems bzw. Batteriesystems oder innerhalb dessen Kühlsystems vor, sodass zu wenig Kühlmittel zur Verfügung steht, um die Brennstoffzelle oder Batterie ausreichend zu kühlen. Typischerweise wird in dieser Situation beim Auslösen eines Trockenlaufsignals bzw. einer Trockenlaufwarnung die Brennstoffzelle abgeschaltet und das Fahrzeug kann beispielsweise aus einer Hybridbatterie weiter betrieben werden, da in den meisten aktuellen Anwendungsfällen eines Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug dieses aus einer Hybridanwendung von Brennstoffzelle und Batterie besteht. In jedem Fall kann durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Überwachung der elektrischen Kühlmittelpumpe eine dauerhafte Schädigung des Brennstoffzellensystems oder Batteriesystem durch ein Trockenlaufen der Pumpe bzw. den damit detektierten Verlust von Kühlmedium zuverlässig verhindert werden.As already indicated, the fuel cell system or battery system according to the invention can be used in particular in a vehicle for the provision of electrical drive power. In such a fuel cell system or battery system, the use of the method according to the invention is particularly well because dry running of the coolant pump can be detected very quickly and very reliably by the method according to the invention. In this case, there is either a leakage within the fuel cell system or battery system or within its cooling system, so that too little coolant is available to sufficiently cool the fuel cell or battery. Typically, in this situation, when a dry run warning is triggered, the fuel cell is turned off and the vehicle may continue to operate from a hybrid battery, for example, since in most current applications of a fuel cell system in a vehicle, this consists of a hybrid fuel cell and battery application. In any case, a permanent damage to the fuel cell system or battery system by a dry running of the pump or the thus detected loss of cooling medium can be reliably prevented by the inventive method for monitoring the electric coolant pump.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich außerdem aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.Further advantageous embodiments of the method according to the invention also result from the exemplary embodiment, which is described in more detail below with reference to the figures.

Dabei zeigen:Showing:

1 eine beispielhafte Ausgestaltung eines Brennstoffzellensystems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und 1 an exemplary embodiment of a fuel cell system for carrying out the method according to the invention; and

2 ein möglicher Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens. 2 a possible sequence of the method according to the invention.

In der 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 in einer sehr stark schematisierten Darstellung zu erkennen. Das Brennstoffzellensystem 1 soll dabei in einem angedeuteten Fahrzeug 2 installiert sein. Kern des Brennstoffzellensystems 1 ist eine Brennstoffzelle 3, welche beispielhaft als PEM-Brennstoffzelle ausgebildet sein soll. Die Brennstoffzelle 3 verfügt in ihrem Inneren im Wesentlichen über drei voneinander getrennt angeordnete Räume, welche im üblichen Aufbau jeweils in Einzelzellen realisiert sind, welche dann zu einem Brennstoffzellenstapel, dem sogenannten Stack, aufgestapelt sind. Über entsprechende Leitungselemente beziehungsweise Sammler sind die einzelnen Räume der Einzelzellen des Brennstoffzellenstacks 3 dann untereinander verbunden. Die in der Figur dargestellten Räume am Beispiel einer Einzelzelle sind dabei ein Anodenraum 4, ein Kathodenraum 5 sowie ein von einem flüssigen Kühlmedium durchströmter Raum 6, welcher auch als Kühlwärmetauscher bezeichnet werden könnte. In an sich bekannter Art und Weise wird dem Kathodenraum 5 über eine Luftfördereinrichtung 7 Luft als Sauerstofflieferant zugeführt. Dem Anodenraum 4 wird beispielsweise Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 8 über eine Druckregel- und Dosiereinrichtung 9 zugeführt. Unverbrauchter Wasserstoff und an Sauerstoff abgereicherte Restluft verlassen dann die Brennstoffzelle über entsprechende Leitungen. Typischerweise wird der Restwasserstoff dann über katalytische Einheiten oder dergleichen aufgebraucht oder er kann im Kreislauf um den Anodenraum 4 geführt werden. Da dies für die hier beschriebene Erfindung nicht weiter relevant ist, wird auf eine entsprechende Darstellung verzichtet. Selbstverständlich kann die Peripherie des Brennstoffzellensystems 1 deutlich komplexer aufgebaut sein, als dies hier exemplarisch dargestellt ist.In the 1 is a fuel cell system 1 to recognize in a very highly schematic representation. The fuel cell system 1 should be in an indicated vehicle 2 be installed. Core of the fuel cell system 1 is a fuel cell 3 , which is to be formed by way of example as a PEM fuel cell. The fuel cell 3 has in its interior essentially three separate spaces arranged, which are realized in the usual structure in each case in individual cells, which are then stacked to form a fuel cell stack, the so-called stack. Via appropriate line elements or collectors are the individual spaces of the individual cells of the fuel cell stack 3 then connected with each other. The spaces shown in the figure using the example of a single cell are an anode compartment 4 , a cathode room 5 and a space traversed by a liquid cooling medium 6 which could also be referred to as a cooling heat exchanger. In a manner known per se, the cathode compartment 5 via an air conveyor 7 Air supplied as an oxygen supplier. The anode compartment 4 For example, hydrogen from a compressed gas storage 8th via a pressure regulating and metering device 9 fed. Unused hydrogen and oxygen depleted residual air then leave the fuel cell via appropriate lines. Typically, the residual hydrogen is then used up via catalytic units or the like, or it can be circulated around the anode compartment 4 be guided. Since this is not relevant for the invention described here, a corresponding representation is omitted. Of course, the periphery of the fuel cell system 1 be constructed much more complex than is shown here by way of example.

Für die hier vorliegende Erfindung relevant ist lediglich der von dem flüssigen Kühlmedium durchströmte Raum 6 der Brennstoffzelle 3 sowie ein Kühlkreislauf 10 für das flüssige Kühlmedium. Dieser Kühlkreislauf 10 ist hier sehr stark vereinfacht dargestellt und soll hier lediglich zur Kühlung der Brennstoffzelle 3 selbst dienen. Selbstverständlich ist es möglich, über den Kühlkreislauf 10 auch weitere Komponenten innerhalb des Brennstoffzellensystems 1 oder in dem mit dem Brennstoffzellensystem 1 ausgerüsteten Fahrzeug 2 zu kühlen. Außerdem können nicht dargestellte Bypassleitungen beispielsweise um den von dem flüssigen Kühlmedium durchströmten Raum 6 in der Brennstoffzelle 3 vorhanden sein, um die Kühlung zu beeinflussen. Only relevant to the present invention is the space through which the liquid cooling medium flows 6 the fuel cell 3 and a cooling circuit 10 for the liquid cooling medium. This cooling circuit 10 is shown here very simplistic and should here only for cooling the fuel cell 3 serve yourself. Of course it is possible over the cooling circuit 10 also other components within the fuel cell system 1 or in the one with the fuel cell system 1 equipped vehicle 2 to cool. In addition, bypass lines, not shown, for example, to the space traversed by the liquid cooling medium 6 in the fuel cell 3 be present to influence the cooling.

In dem Kühlkreislauf 10 strömt nun ein flüssiges Kühlmedium, typischerweise ein Gemisch aus Wasser und einem Frostschutzmittel. Dieses flüssige Kühlmedium wird von einer Kühlmittelpumpe 11 in dem Kühlkreislauf 10 umgewälzt und im Bereich eines Kühlwärmetauschers 12, welcher hier beispielhaft als Fahrzeugkühler mit einem die Durchströmung optional unterstützenden Lüfter 13 dargestellt ist, abgekühlt wird. Das abgekühlte Kühlmedium strömt dann durch den Raum 6 der Brennstoffzelle 3 und nimmt dort Abwärme der Brennstoffzelle 3 auf, welche im Bereich des Kühlwärmetauschers 12 wieder an die Umgebung abgegeben wird. Wie bereits erwähnt, können zusätzliche Einbauten, beispielsweise ein Bypass, ein Volumenausgleichsbehälter und dergleichen, vorgesehen sein. Da diese für die hier vorliegende Erfindung nicht weiter relevant sind, wurde zur Vereinfachung der Figur auf deren Darstellung verzichtet.In the cooling circuit 10 Now flows a liquid cooling medium, typically a mixture of water and an antifreeze. This liquid cooling medium is supplied by a coolant pump 11 in the cooling circuit 10 circulated and in the area of a cooling heat exchanger 12 , which exemplifies here as a vehicle radiator with a fan optionally supporting the flow 13 is shown, is cooled. The cooled cooling medium then flows through the room 6 the fuel cell 3 and takes there waste heat of the fuel cell 3 on which in the area of the cooling heat exchanger 12 is returned to the environment. As already mentioned, additional installations, for example a bypass, a volume expansion tank and the like, may be provided. Since these are not relevant for the present invention, the representation has been omitted for the sake of simplicity.

Die Kühlmittelpumpe 11 soll in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel von einem Elektromotor 14 elektrisch angetrieben sein. Sie wird dabei je nach erforderlicher Kühlleistung in dem Raum 6 der Brennstoffzelle 3 beispielsweise mit unterschiedlichen Drehzahlen angetrieben. Um einen geregelten Antrieb der Kühlmittelpumpe 11 zu gewährleisten, sind in dem Kühlkreislauf 10 typischerweise Temperatursensoren vorhanden. Zwei derartige Temperatursensoren 15, 16 sind beispielhaft in Strömungsrichtung vor und nach dem Raum 6 der Brennstoffzelle 3 dargestellt. Neben einer Variation der Drehzahl der Kühlmittelpumpe 11 über ein mit den Temperatursensoren 15, 16 in Verbindung stehendes Steuergerät 17 ist es ist es außerdem möglich, die Durchströmung sowohl des Raums 6 als auch des Kühlwärmetauschers 12 über einen Bypass um die jeweilige Komponente mit einer entsprechenden Ventileinrichtung zu steuern, um so nach dem Bypass eine Mischtemperatur entsprechend einzustellen. Auch dies ist für die hier vorliegende Erfindung nicht weiter relevant und aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Auf eine Darstellung der Ventileinrichtung und der Bypassleitung wurde daher ebenfalls verzichtet.The coolant pump 11 is intended in the embodiment shown here by an electric motor 14 be electrically powered. It is depending on the required cooling capacity in the room 6 the fuel cell 3 for example, driven at different speeds. To a regulated drive of the coolant pump 11 to ensure are in the cooling circuit 10 typically temperature sensors available. Two such temperature sensors 15 . 16 are exemplary in the flow direction before and after the room 6 the fuel cell 3 shown. In addition to a variation of the speed of the coolant pump 11 over with the temperature sensors 15 . 16 related controller 17 It is also possible to flow through both the room 6 as well as the cooling heat exchanger 12 to control via a bypass to the respective component with a corresponding valve device, so as to set a mixing temperature according to the bypass accordingly. Again, this is not further relevant to the present invention and is known from the general state of the art. On a representation of the valve device and the bypass line was therefore also omitted.

Der Kühlkreislauf 10 weist außerdem einen Kühlmittelausgleichsbehälter 18 auf, welcher über einen angedeuteten Füllstandssensor 19 verfügt. Dieser Füllstandssensor kann nun ebenfalls mit dem Steuergerät 17 und hierüber oder ergänzend oder alternativ dazu auch direkt mit einer Steuerung des Fahrzeugs 2 in Kontakt stehen, um so einen zu niedrigen Stand des Kühlmittels an einen Nutzer des Fahrzeugs und/oder an weitere Steuergräte zu melden, um gegebenenfalls Gegenmaßnahmen zu ergreifen oder das Brennstoffzellensystem 1 zum Schutz der Brennstoffzelle entsprechend abzuschalten.The cooling circuit 10 also has a coolant expansion tank 18 on, which via an indicated level sensor 19 features. This level sensor can now also with the control unit 17 and over or in addition or alternatively also directly with a control of the vehicle 2 be in contact, so as to report a low level of the coolant to a user of the vehicle and / or to other control device, if necessary to take countermeasures or the fuel cell system 1 To shut off the fuel cell accordingly.

Nun ist es so, dass es im Bereich der Brennstoffzelle 3 zu Undichtheiten zwischen den einzelnen Räumen kommen kann. Insbesondere ein sogenannter Plattenbruch der die Einzelzellen des Brennstoffzellenstacks 3 beschränkenden Platten kann zu solchen Undichtheiten führen. Besonders kritisch ist es dann, wenn Wasserstoffgas aus dem Anodenraum 4 in den Raum 6 für das flüssige Kühlmedium eindringt. Aber auch das Eindringen von Luft aus dem Kathodenraum 5 in das flüssige Kühlmedium in den Raum 6 wäre als Undichtheit der Brennstoffzelle 3 für deren Funktion kritisch. Daneben wäre es auch hinsichtlich einer Überhitzung der Brennstoffzelle 3 kritisch, wenn über ein Leck in dem Kühlkreislauf 10 das flüssige Kühlmedium beispielsweise in die Umgebung des Fahrzeugs 2 austritt und so die ordnungsgemäße Kühlung der Brennstoffzelle 3 ganz oder teilweise gefährdet. Um ein solches kritisches Ereignis nun einfach, schnell und zuverlässig erkennen zu können, ist es bei dem hier dargestellten Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 vorgesehen, dass ein Motorsteuerung 16 des Elektromotors 14 für die Kühlmittelpumpe 11 entsprechend so ausgebildet ist, dass es die ohnehin erfasste Leistungsaufnahme bzw. die der Kühlmittelpumpe 11 mit vorgegebenen Referenzwerten, insbesondere in Form von Referenzkurven, vergleicht.Now it is like that in the field of fuel cell 3 to leaks between the individual rooms can come. In particular, a so-called plate fracture of the individual cells of the fuel cell stack 3 Restrictive plates can lead to such leaks. It is particularly critical when hydrogen gas from the anode compartment 4 in the room 6 penetrates for the liquid cooling medium. But also the penetration of air from the cathode compartment 5 into the liquid cooling medium in the room 6 would be as leakage of the fuel cell 3 critical for their function. It would also be in terms of overheating the fuel cell 3 critical if about a leak in the cooling circuit 10 the liquid cooling medium, for example in the environment of the vehicle 2 exit and so the proper cooling of the fuel cell 3 fully or partially at risk. In order to recognize such a critical event simply, quickly and reliably, it is in the structure of the fuel cell system shown here 1 provided that a motor control 16 of the electric motor 14 for the coolant pump 11 is designed so that it is the already detected power consumption or the coolant pump 11 with predetermined reference values, in particular in the form of reference curves, compares.

Zur Aufnahme geeigneter Referenzkurven sind verschiedene Methoden aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Beispielsweise kann die Stromaufnahme von mehreren baugleichen als Kühlmittelpumpe 11 ermittelt werden. Hierfür wird die Stromaufnahme der jeweiligen Pumpe über ihren ganzen möglichen Drehzahlbereich hinweg aufgenommen. Dabei ist für die spätere Referenzkurve vor allem die Stromaufnahme bei Trockenlauf, also die kleinstmögliche Stromaufnahme sowie die Stromaufnahme im regulären Betrieb mit geschlossener Drossel, also die minimale Stromaufnahme im „Normalbetrieb” von Interesse. Die so für den jeweiligen Pumpentyp gemessenen Kurven werden anschließend gemittelt, woraus sich dann eine Referenzkurve für die jeweilige Bauart der Pumpe ergibt. Diese Referenzkurven können insbesondere in Abhängigkeit der Drehzahl der Kühlmittelpumpe 11, aber auch in Abhängigkeit des Drucks und/oder der Temperatur in dem Kühlmedium, wobei insbesondere die Temperatur in jedem Fall zur Steuerung der Kühlung ohnehin erfasst wird, entsprechend parametrisiert werden. Alternativ dazu wären auch entsprechende Berechnungen bzw. Simulationen zum Erstellen von Referenzkurven oder für den Fall, dass diese parametrisiert werden, Referenz-Kennfeldern denkbar.To accommodate suitable reference curves, various methods are known from the general state of the art. For example, the power consumption of several identical as a coolant pump 11 be determined. For this purpose, the current consumption of the respective pump is taken over their entire possible speed range away. In this case, the power consumption in dry running, ie the smallest possible power consumption and the power consumption in regular operation with a closed throttle, so the minimum power consumption in the "normal operation" is of interest for the later reference curve. The curves thus measured for the respective pump type are then averaged, which then results in a reference curve for the respective design of the pump. These reference curves can in particular depending on the speed of the coolant pump 11 , but also depending on the pressure and / or the temperature in the cooling medium, wherein in particular the temperature is detected in any case for controlling the cooling anyway, be parameterized accordingly. Alternatively, corresponding calculations or simulations for creating reference curves or in the event that they are parameterized, reference maps would be conceivable.

Die Referenzwerte egal in welcher Form der Darstellung erlauben es, einem in dem Steuergerät 17 implementierten Verfahrensablauf dann festzustellen, ob die Kühlmittelpumpe 11 so arbeitet, wie es zu erwarten ist, oder ob es Abweichungen in der Stromaufnahme gibt. Solche Abweichungen in der Stromaufnahme können dann durch die erkannte Charakteristik der Abweichung ausgewertet werden. Von besonderem Interesse ist hierbei eine Auswertung in der Art, dass das Vorhandensein von Gas in dem flüssigen Kühlmedium bzw. ein Trockenlaufen der Kühlmittelpumpe 11 erkannt werden kann.The reference values no matter in which form of presentation allow one in the controller 17 Implemented procedure then determine whether the coolant pump 11 works as you would expect or if there are deviations in the current consumption. Such deviations in the current consumption can then be evaluated by the recognized characteristic of the deviation. Of particular interest here is an evaluation in the manner that the presence of gas in the liquid cooling medium or a dry running of the coolant pump 11 can be recognized.

Dem Erfinder hat sich gezeigt, dass in den unteren Drehzahlbereichen die Unterschiede zwischen den Referenzwerten und den gemessenen Werten beim Auftreten eines Trockenlaufs sehr klein sind. In diesem Bereich ist es daher sehr schwierig einen zuverlässigen Vergleich zu realisieren, welcher eine sichere Detektion des Trockenlaufs ermöglicht. Sehr einfach und effizient lässt sich eine solche Trockenlauferkennung jedoch dann realisieren, wenn während der Detektion die Pumpendrehzahl größer als ca. 40 Prozent der Nenndrehzahl der Kühlmittelpumpe 11 ist. Vorzugsweise beträgt die Mindestdrehzahl der Kühlmittelpumpe 11 mehr als 50% der Nenndrehzahl.The inventor has found that in the lower speed ranges, the differences between the reference values and the measured values when running dry are very small. In this area, it is therefore very difficult to realize a reliable comparison, which enables a reliable detection of dry running. However, such a dry run recognition can be realized very simply and efficiently if, during the detection, the pump speed is greater than approximately 40 percent of the rated speed of the coolant pump 11 is. Preferably, the minimum speed of the coolant pump 11 more than 50% of the rated speed.

Wie es in der Darstellung der 2 an dem Verfahrensablauf zu erkennen ist, wird die Überprüfung beispielsweise durch einen mit T bezeichneten Timer ausgelöst. Dieser Timer kann vorzugsweise alle beispielsweise 60 Sekunden eine Überprüfung starten. Zu Beginn der Überprüfung wird dann die Drehzahl n der Kühlmittelpumpe 11 erfasst. Dann wird abgefragt, ob diese Drehzahl n größer als die Mindestdrehzahl nmin von beispielsweise 50% der Nenndrehzahl der Kühlmittelpumpe 11 ist. Ist dies nicht der Fall, dann wird die Drehzahl, wie in der mit 21 bezeichneten Box angedeutet, entsprechend angehoben und die Abfrage erfolgt erneut, bis die aktuelle Drehzahl n die Mindestdrehzahl nmin erreicht hat. Ist dies der Fall, dann kann beispielsweise nachdem die Mindestdrehzahl nmin für eine vorgegebene Zeitspanne von ca. 5 Sekunden aufrechterhalten worden ist, der Ist-Strom iist der Kühlmittelpumpe 11 erfasst werden. Bei konstanter Spannung entspricht dies dann der Leistungsaufnahme der Kühlmittelpumpe 11. Im anschließenden Schritt wird dieser Ist-Strom iist mit dem Soll-Strom isoll verglichen. Anstelle dieses in der Darstellung der 2 in der mit 22 bezeichneten Box vereinfacht dargestellten Vergleichs kann auch ein Vergleich mit einem Referenzkennfeld, einer Referenzkurve oder ähnlichem erfolgen. Wir oben bereits erwähnt, können diese Referenzkurven oder -kennfelder dabei entsprechend parametrisiert sein und beispielsweise Druck und Temperatur des Kühlmediums in dem Kühlkreislauf 10 mit berücksichtigen.As it is in the presentation of 2 can be seen in the process, the check is triggered, for example, by a designated timer T. This timer may preferably start a check every 60 seconds, for example. At the beginning of the check then the speed n of the coolant pump 11 detected. Then it is queried whether this speed n is greater than the minimum speed n min of, for example, 50% of the rated speed of the coolant pump 11 is. If this is not the case, then the speed, as in the with 21 indicated box, raised accordingly and the query is again until the current speed n has reached the minimum speed n min . If this is the case, then, for example, after the minimum speed n min has been maintained for a predetermined period of about 5 seconds, the actual current i is the coolant pump 11 be recorded. At constant voltage, this then corresponds to the power consumption of the coolant pump 11 , In the subsequent step, this actual current i is compared with the nominal current i soll . Instead of this in the presentation of the 2 in the with 22 Box described simplified comparison can also be made a comparison with a reference map, a reference curve or the like. As already mentioned above, these reference curves or characteristics can be parameterized accordingly and, for example, pressure and temperature of the cooling medium in the cooling circuit 10 with consideration.

Ist der Ist-Strom iist nun kleiner als der Soll-Strom isoll, dann muss von einem Trockenlauf der Kühlmittelpumpe 11 ausgegangen werden. Dies ist durch die mit dem Wort Trockenlauf bezeichnete Box 23 dargestellt. Im Falle eines solchen Trockenlaufs können dann die entsprechenden Gegenmaßnahmen, beispielsweise ein Abschalten der Brennstoffzelle 3, eine Warnung an den Fahrer und dergleichen, ausgelöst werden. Ist dies nicht der Fall und der Ist-Strom iist entspricht dem Soll-Strom isoll, dann wird beispielsweise der Timer T von neuem gestartet.If the actual current i is now smaller than the setpoint current i soll , then it must be a dry run of the coolant pump 11 be assumed. This is indicated by the box labeled Dry Run 23 shown. In the case of such a dry run then the appropriate countermeasures, such as a shutdown of the fuel cell 3 , a warning to the driver and the like, are triggered. If this is not the case and the actual current i ist corresponds to the desired current i soll , then the timer T is restarted, for example.

Ergänzend zu dem Timer kann auch über Sensor, beispielsweise den Füllstandssensor 19 in dem Kühlmittelausgleichsbehälter 18, eine Überprüfung der Kühlmittelpumpe 11 auf einen Trockenlauf initiiert werden. Dies ist in der Darstellung der 2 durch die mit S versehene Box 24 angedeutet. Parallel zum Timer T kann auch über ein solches Triggersignal beispielsweise des Füllstandssensors 19, oder auch anderer Sensoren, das Verfahren ausgelöst werden. Der Verfahrensablauf ist dabei wiederum der gleiche. Falls die Drehzahl n bereits ausreichend hoch ist, wird die Überwachung sofort initiiert, wenn nicht, wird diese zuerst auf die Größe der Mindestdrehzahl nmin angehoben. An die Stelle eines Signals eines Sensors können auch andere Triggersignale S treten, beispielsweise das Auslösen im Rahmen einer Wartung durch die Software eines Werkstatttestgeräts oder dergleichen.In addition to the timer can also be via sensor, such as the level sensor 19 in the coolant expansion tank 18 , a review of the coolant pump 11 be initiated on a dry run. This is in the presentation of 2 through the box provided with S 24 indicated. Parallel to the timer T can also be such a trigger signal, for example, the level sensor 19 , or other sensors, the process is triggered. The procedure is again the same. If the speed n is already sufficiently high, the monitoring is initiated immediately, if not, this is first raised to the size of the minimum speed n min . Instead of a signal from a sensor, other trigger signals S may also occur, for example triggering as part of maintenance by the software of a workshop test device or the like.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102011111945 A1 [0002] DE 102011111945 A1 [0002]

Claims (10)

Verfahren zur Überwachung einer elektrischen Kühlmittelpumpe (11) in einem Brennstoffzellensystem (2) oder Batteriesystem, wozu ein von der elektrischen Kühlmittelpumpe (11) aufgenommener elektrischer Strom (iist) gemessen und mit Referenzwerten (isoll) verglichen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachung durchgeführt wird, sobald die elektrische Kühlmittelpumpe eine Mindestdrehzahl (nmin) von wenigstens 40% der Nenndrehzahl erreicht hat, wobei die Drehzahl (n) der elektrischen Kühlmittelpumpe (11) immer dann für eine vorgegebene Zeitspanne auf die Mindestdrehzahl (nmin) angehoben wird, wenn diese Mindestdrehzahl (nmin) nach einer vorgegebenen Wartezeit während des Betriebs nicht erreicht wurde.Method for monitoring an electric coolant pump ( 11 ) in a fuel cell system ( 2 ) or battery system, including one of the electric coolant pump ( 11 ) is measured and compared with reference values (i soll ), characterized in that the monitoring is performed as soon as the electric coolant pump has reached a minimum speed (n min ) of at least 40% of the rated speed, the speed (n) the electric coolant pump ( 11 ) is raised to the minimum speed (n min ) for a predetermined period of time, if this minimum speed (n min ) has not been reached after a predetermined waiting time during operation. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Zeitspanne mit 3 bis 8 Sekunden, vorzugsweise mit ca. 5 Sekunden vorgegeben wird.A method according to claim 1, characterized in that the predetermined time period of 3 to 8 seconds, preferably with about 5 seconds is specified. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wartezeit mit 40 bis 100 Sekunden, bevorzugt ca. 60 Sekunden, vorgegeben wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that the waiting time of 40 to 100 seconds, preferably about 60 seconds, is given. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mindestdrehzahl (nmin) mit 50% der Nenndrehzahl der elektrischen Kühlmittelpumpe (11) vorgegeben wird.A method according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the minimum speed (n min ) at 50% of the rated speed of the electric coolant pump ( 11 ) is given. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachung der elektrischen Kühlmittelpumpe (11) durch ein weiteres Signal (S), insbesondere das Signal eines Sensors, ausgelöst wird, wobei die Überwachung direkt durchgeführt wird, falls die aktuelle Drehzahl (n) oberhalb der Mindestdrehzahl (nmin) liegt, und wobei, falls die aktuelle Drehzahl (n) kleiner als die Mindestdrehzahl (nmin) ist, die aktuelle Drehzahl (n) für eine vorgegebene Zeitspanne auf die Mindestdrehzahl angehoben wird, bevor die Überwachung durchgeführt wird.Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the monitoring of the electric coolant pump ( 11 ) is triggered by a further signal (S), in particular the signal of a sensor, wherein the monitoring is performed directly if the current speed (n) is above the minimum speed (n min ), and if the current speed (n ) is less than the minimum speed (n min ), the current speed (n) is raised to the minimum speed for a predetermined period of time before monitoring is performed. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als weiteres Signal (S) das weitere Signal eines Füllstandssensors in einem Kühlmittelausgleichsbehälter genutzt wird.A method according to claim 5, characterized in that as a further signal (S), the further signal of a level sensor is used in a coolant expansion tank. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der aufgenommene Strom (iist) der elektrischen Kühlmittelpumpe (11) innerhalb der elektrischen Kühlmittelpumpe (11) gemessen wird, wobei die Überwachung in einem Steuergerät (17), welches ein eine elektrische Kühlmittelpumpe (11) aufweisendes Kühlsystem steuert, durch Auswertung des aktuellen Stromwerts (iist) durchgeführt wird.Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the absorbed current (i is ) of the electric coolant pump ( 11 ) within the electric coolant pump ( 11 ), whereby the monitoring in a control unit ( 17 ), which is an electric coolant pump ( 11 ) having exhibiting cooling system, by evaluating the current current value (i is ) is performed. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzwerte (isoll) für den elektrischen Strom über Simulationsrechnungen und/oder Kennfelder bereitgestellt werden.Method according to one of Claims 1 to 7, characterized in that the reference values (i soll ) for the electric current are provided via simulation calculations and / or characteristic diagrams. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in die Simulationsrechnung oder die Kennfelder Parameter des Kühlmediums, insbesondere Druck und Temperatur, einfließen.A method according to claim 8, characterized in that in the simulation calculation or the maps parameters of the cooling medium, in particular pressure and temperature, flow. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, zur Überwachung der elektrischen Kühlmittelpumpe (11) in einem Kühlsystem eines Brennstoffzellensystems (2) oder eines Batteriesystems, welches zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung in einem Fahrzeug (1) dient.Use of the method according to one of claims 1 to 9, for monitoring the electric coolant pump ( 11 ) in a cooling system of a fuel cell system ( 2 ) or a battery system which is used to provide electrical drive power in a vehicle ( 1 ) serves.
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