DE102016213175A1 - Brennstoffzellenstapel-Diagnosesystem und Diagnoseverfahren desselben - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Brennstoffzellenstapel-Diagnosesystem bereitgestellt. Das System umfasst einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von Zellkanälen und eine Diagnose-Analysevorrichtung, die eine Spannungsmessung an jedem der Mehrzahl von Zellkanälen durchführt. Die Diagnose-Analysevorrichtung bestimmt, dass die Spannungsmessung in einer ersten Stufe anormal ist, wenn ein Spannungsverhältnis kleiner als ein erstes Referenzspannungsverhältnis beim Starten eines Fahrzeugs ist, in dem das Brennstoffzellenstapel-Diagnosesystem montiert ist. Zusätzlich ist das Spannungsverhältnis ein Verhältnis einer minimalen Zellenkanalspannung zu einer durchschnittlichen Zellenkanalspannung.

Description

  • HINTERGRUND
  • (a) Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellenstapel-Diagnosesystem und ein Diagnoseverfahren desselben und insbesondere ein Brennstoffzellenstapel-Diagnosesystem und Diagnoseverfahren desselben, die genauer bestimmen, ob ein Schadenssignal eine beschädigte Elementarzelle angibt.
  • (b) Beschreibung des Standes der Technik
  • Ein Brennstoffzellenfahrzeug verwendet im Allgemeinen einen Brennstoffzellenstapel und eine Hochspannungsbatterie, um einen Motor anzutreiben. Wenn beispielsweise ein Fahrzeug bergauf fährt, kann elektrische Energie von sowohl dem Brennstoffzellenstapel als auch der Hochspannungsbatterie verwendet werden, um den Motor anzutreiben. Wenn ein Fahrzeug auf einer im Wesentlichen geraden Straße ohne eine Steigung fährt, kann elektrische Energie von dem Brennstoffzellenstapel verwendet werden, um den Motor anzutreiben, und die Hochspannungsbatterie kann geladen werden. Wenn ein Fahrzeug bergab fährt, kann die Hochspannungsbatterie durch regenerative Bremsenergie, die durch den Motor erzeugt wird, geladen werden, und elektrische Energie von dem Brennstoffzellenstapel wird minimal erzeugt.
  • Zusätzlich kann jede Elementarzelle des Brennstoffzellenstapels unter Verwendung einer Stapelspannungsüberwachungsvorrichtung (stack voltage monitor – SVM) überwacht werden, um zu bestimmen, ob jede Elementarzelle normal arbeitet/funktioniert (z. B. ohne Fehler). Wenn jedoch die SVM ausfällt oder eine Fehlfunktion aufweist, kann eine Diagnose-Analysevorrichtung eine Elementarzelle des Brennstoffzellenstapels als beschädigt fehldiagnostizieren und ein Schadenssignal erzeugen. Die Diagnose-Analysevorrichtung kann eine Brennstoffzellensteuereinheit (fuel cell control unit – FCU) sein. Demzufolge sind ein Brennstoffzellenstapel-Diagnosesystem und Diagnoseverfahren desselben erforderlich, die genauer bestimmen können, ob das Schadenssignal von der Diagnose-Analysevorrichtung angibt, dass es eine tatsächlich beschädigten Elementarzelle gibt, oder lediglich ein Erfassungsfehler der SVM ist.
  • Die obigen Informationen, die in diesem Abschnitt offenbart werden, dienen nur der Verbesserung des Verständnisses des Hintergrunds der Erfindung und sie können demzufolge Informationen enthalten, die nicht den Stand der Technik bilden, der einem Durchschnittsfachmann in diesem Land bereits bekannt ist.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Die vorliegende Erfindung stellt bereit ein Brennstoffzellenstapel-Diagnosesystem und ein Diagnoseverfahren desselben, die genauer bestimmen können, ob das Schadenssignal von der Diagnose-Analysevorrichtung eine beschädigte Elementarzelle angibt oder lediglich ein Erfassungsfehler der SVM ist.
  • Ein Brennstoffzellenstapel-Diagnosesystem gemäß einem Ausführungsbeispiel kann umfassen: einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von Zellkanälen; und eine Diagnose-Analysevorrichtung, die eingerichtet ist, um eine Spannungsmessung in Bezug auf jeden der Mehrzahl von Zellkanälen zu empfangen, wobei die Diagnose-Analysevorrichtung eingerichtet sein kann, um zu bestimmen, dass die Spannungsmessung in einer ersten Stufe anormal ist, wenn ein Spannungsverhältnis kleiner als ein erstes Referenzspannungsverhältnis beim Starten eines Fahrzeugs ist, und wobei das Spannungsverhältnis ein Verhältnis einer minimalen Zellenkanalspannung zu einer durchschnittlichen/mittleren Zellenkanalspannung sein kann.
  • Das Brennstoffzellenstapel-Diagnosesystem kann eingerichtet sein, um den Brennstoffzellenstapel mit zumindest einem aus Luft und Wasserstoffgas zu überladen, und die Diagnose-Analysevorrichtung kann eingerichtet sein, um zu bestimmen, dass die Spannungsmessung in einer zweiten Stufe anormal ist, wenn das Spannungsverhältnis kleiner als ein zweites Referenzspannungsverhältnis nach dem Überladen ist. Die Diagnose-Analysevorrichtung kann ferner eingerichtet sein, um zu bestimmen, dass zumindest eine Elementarzelle, die in einem Zellenkanal mit der minimalen Zellenkanalspannung umfasst ist, beschädigt ist, wenn das Spannungsverhältnis gleich oder größer als das zweite Referenzspannungsverhältnis nach dem Überladen ist.
  • Zusätzlich kann die Diagnose-Analysevorrichtung eingerichtet sein, um zu bestimmen, dass ein sehr kleines Loch/Nadelloch (z. B. eine minimale Öffnung) an/in einer Membran der zumindest einen Elementarzelle gebildet ist, wenn das Spannungsverhältnis gleich oder größer als das zweite Referenzspannungsverhältnis nach dem Überladen ist. Die Diagnose-Analysevorrichtung kann eingerichtet sein, um zu bestimmen, dass die Spannungsmessung in einer dritten Stufe anormal ist, wenn das Spannungsverhältnis in einem Referenzspannungsverhältnisbereich liegt, während das Fahrzeug gefahren wird. Das Fahrzeug kann eingerichtet sein, um ein Antriebsmoment unter Verwendung eines von dem Brennstoffzellenstapel abgegebenen Stapelstromes zu erzeugen.
  • Die Diagnose-Analysevorrichtung kann ferner eingerichtet sein, um eine Steigung einer durch Auftragen des Spannungsverhältnisses in Abhängigkeit von dem Stapelstrom erzeugten Trendlinie zu berechnen, und um zu bestimmen, dass die Spannungsmessung in einer vierten Stufe anormal ist, wenn ein Absolutwert der Steigung kleiner als eine Referenzsteigung ist. Die Diagnose-Analysevorrichtung kann eingerichtet sein, um das Spannungsverhältnis ohne Verwendung eines Spannungswertes, der von dem Zellenkanal mit der minimalen Zellenkanalspannung gemessen wird, zu berechnen, wenn die Spannungsmessung als anormal bestimmt wird. Darüber hinaus kann die Diagnose-Analysevorrichtung eingerichtet sein, um zu bestimmen, dass die Spannungsmessung in einer fünften Stufe anormal ist, wenn eine Leerlaufspannung einer Last gleich oder größer als eine Referenzspannung ist und das Spannungsverhältnis auf weniger als das erste Referenzspannungsverhältnis für eine Bezugszeitdauer beim Starten des Fahrzeugs gehalten wird.
  • Ein Brennstoffzellenstapel-Diagnoseverfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel kann umfassen: Durchführen, durch die SVM, einer Spannungsmessung an/in jedem der Mehrzahl von Zellenkanälen, die in einem Brennstoffzellenstapel umfasst sind; und Bestimmen, durch eine Diagnose-Analysevorrichtung, dass die Spannungsmessung in einer ersten Stufe anormal ist, wenn ein Spannungsverhältnis kleiner als ein erstes Referenzspannungsverhältnis beim Starten des Fahrzeugs ist, wobei das Spannungsverhältnis ein Verhältnis einer minimalen Zellenkanalspannung zu einer durchschnittlichen/mittleren Zellenkanalspannung sein kann.
  • Das Brennstoffzellenstapel-Diagnoseverfahren kann ferner umfassen: Überladen des Brennstoffzellenstapels mit zumindest einem aus Luft und Wasserstoffgas; und Bestimmen, dass die Spannungsmessung in einer zweiten Stufe anormal ist, wenn das Spannungsverhältnis kleiner als ein zweites Referenzspannungsverhältnis nach dem Überladen ist. Das Brennstoffzellenstapel-Diagnoseverfahren kann ferner umfassen: Bestimmen, dass zumindest eine Elementarzelle, die in einem Zellenkanal mit der minimalen Zellenspannung umfasst ist, beschädigt ist, wenn das Spannungsverhältnis gleich oder größer als das zweite Referenzspannungsverhältnis nach dem Überladen ist.
  • Die Bestimmung, dass die zumindest eine Elementarzelle beschädigt ist, kann umfassen ein Bestimmen, dass ein Nadelloch an/in einer Membran der zumindest einen Elementarzelle gebildet ist. Das Brennstoffzellenstapel-Diagnoseverfahren kann ferner umfassen ein Bestimmen, dass die Spannungsmessung in einer dritten Stufe anormal ist, wenn das Spannungsverhältnis in einem Referenzspannungsverhältnisbereich liegt, während das Fahrzeug gefahren wird. Das Fahrzeug kann eingerichtet sein, um ein Antriebsmoment unter Verwendung eines von dem Brennstoffzellenstapel abgegebenen Stapelstromes zu erzeugen.
  • Das Brennstoffzellenstapel-Diagnoseverfahren kann ferner umfassen: Berechnen einer Steigung einer durch Auftragen des Spannungsverhältnisses in Abhängigkeit von dem Stapelstrom erzeugten Trendlinie; und Bestimmen, dass die Spannungsmessung in einer vierten Stufe anormal ist, wenn ein Absolutwert der Steigung kleiner als eine Referenzsteigung ist. Das Brennstoffzellenstapel-Diagnoseverfahren kann ferner umfassen ein Berechnen des Spannungsverhältnisses ohne Verwendung eines Spannungswertes, der von dem Zellenkanal mit der minimalen Zellenspannung gemessen wird, wenn die Spannungsmessung als anormal bestimmt wird. Zusätzlich kann das Brennstoffzellenstapel-Diagnoseverfahren umfassen ein Messen einer Leerlaufspannung einer Last beim Starten des Fahrzeugs, und die Bestimmung, dass die Spannungsmessung in der ersten Stufe anormal ist, kann durchgeführt werden, wenn die Leerlaufspannung der Last gleich oder größer als eine Referenzspannung ist.
  • Gemäß den Ausführungsbeispielen stellt die vorliegende Offenbarung das Brennstoffzellenstapel-Diagnosesystem und ein Diagnoseverfahren desselben bereit, die genauer bestimmen können, ob das Schadenssignal von der Diagnose-Analysevorrichtung eine beschädigte Elementarzelle anzeigt oder lediglich ein Erfassungsfehler der SVM ist.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die obigen und weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen klarer verständlich. In den Figuren zeigen:
  • 1 eine Zeichnung, die ein Brennstoffzellenstapel-Diagnosesystem gemäß einem Ausführungsbeispiel darstellt;
  • 2 eine Zeichnung, die eine Mehrzahl von Graphen zum Vergleichen eines Falls einer beschädigten Elementarzelle und eines Falls einer durchgeführten anormalen Spannungsmessung gemäß einem Ausführungsbeispiel darstellt; und
  • 3 eine Zeichnung, die eine Mehrzahl von Trendlinien gemäß einem Spannungsverhältnis mit Bezug auf einen Stapelstrom gemäß einem Ausführungsbeispiel darstellt.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Es versteht sich, dass der Ausdruck ”Fahrzeug” oder ”Fahrzeug-” oder andere gleichlautende Ausdrücke wie sie hierin verwendet werden, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen wie z. B. Personenkraftwagen einschließlich Sports Utility Vehicles (SUV), Busse, Lastwägen, verschiedene Nutzungsfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, einschließlich einer Vielfalt von Booten und Schiffen, Luftfahrzeugen und dergleichen einschließen, und Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-In-Hybridelektrofahrzeuge, wasserstoffgetriebene Fahrzeuge und andere Fahrzeuge mit alternativen Kraftstoff umfassen (beispielsweise Kraftstoff, der von anderen Quellen als Erdöl gewonnen wird). Wie hierin Bezug genommen wird, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, das zwei oder mehr Antriebsquellen aufweist, wie zum Beispiel sowohl benzinbetriebene als auch elektrisch angetriebene Fahrzeuge.
  • Obwohl das Ausführungsbeispiel derart beschrieben wird, dass es eine Mehrzahl von Einheiten verwendet, um den beispielhaften Prozess durchzuführen, versteht es sich, dass die beispielhaften Prozesse ebenfalls durch ein oder eine Mehrzahl von Modulen durchgeführt werden können. Darüber hinaus versteht es sich, dass sich der Ausdruck Steuerung/Steuereinheit auf eine Hardware-Vorrichtung bezieht, die einen Speicher und einen Prozessor umfasst. Der Speicher ist eingerichtet, um die Module zu speichern, und der Prozessor ist insbesondere eingerichtet, um die besagten Module auszuführen, um einen oder mehrere Prozesse durchzuführen, die weiter unten beschrieben werden.
  • Darüber hinaus kann die Steuerlogik der vorliegenden Erfindung als nichtflüchtige computerlesbare Medien auf einem computerlesbaren Medium ausgeführt werden, das ablauffähige Programmbefehle umfasst, die durch einen Prozessor, eine Steuerung/Steuereinheit oder dergleichen ausgeführt werden. Beispiele von computerlesbaren Speichermedien umfassen in nicht einschränkender Weise ROM, RAM, Compact-Disc(CD)-ROMs, Magnetbänder, Floppydisks, Flash-Laufwerke, Smart Cards und optische Datenspeichervorrichtungen. Das computerlesbare Aufzeichnungsmedium kann ebenfalls in netzgekoppelten Computersystemen dezentral angeordnet sein, so dass das computerlesbare Medium in einer verteilten Art und Weise gespeichert und ausgeführt wird, z. B. durch einen Telematik-Server oder ein Controller Area Network (CAN).
  • Die hierin verwendete Terminologie ist zum Zwecke der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen vorgesehen und ist nicht dazu bestimmt, die Erfindung einzuschränken. 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” und/oder ”aufweisend”, 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 ”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. ”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 ”ungefähr” verändert.
  • Im Folgenden wird die vorliegende Offenbarung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt sind, vollständiger beschrieben. Wie ein Fachmann erkennen würde, können die beschriebenen Ausführungsbeispiele auf verschiedene Arten modifiziert werden, ohne von der Lehre oder dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. 1 zeigt eine Zeichnung, die ein Brennstoffzellenstapel-Diagnosesystem gemäß einem Ausführungsbeispiel darstellt. Unter Bezugnahme auf 1 kann ein Brennstoffzellenstapel-Diagnosesystem 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel umfassen einen Brennstoffzellenstapel 10 und eine Diagnose-Analysevorrichtung 20. Der Brennstoffzellenstapel 10 und die Diagnose-Analysevorrichtung 20 können durch eine Steuerung betrieben werden. In 1 kann eine Last 30, die an einem Fahrzeug inhärent ist, auf der Grundlage eines Fahrmodus/Antriebsmodus geändert werden. Zum Beispiel kann beim Starten des Fahrzeugs die Last 30 nicht vorhanden sein und demzufolge befindet sich das Fahrzeug in einem lastfreien Zustand. Ferner kann der Brennstoffzellenstapel 10 eine Mehrzahl von Zellenkanälen Kan_1, Kan_2, ... Kan_n umfassen. Der Zellenkanal Kan_1 kann drei Elementarzellen Zelle1_a, Zelle1_b und Zelle1_c umfassen, der Zellenkanal Kan_2 kann drei Elementarzellen Zelle2_a, Zelle2_b und Zelle2_c umfassen und der Zellenkanal Kan_n kann drei Elementarzellen Zelle_n_a, Zelle_n_b und Zelle_n_c umfassen.
  • Obwohl ein Ausführungsbeispiel von 1 jeden Zellenkanal mit drei Elementarzellen darstellt, kann jeder Zellenkanal ein bis vier Elementarzellen in einem weiteren Ausführungsbeispiel umfassen. Mit anderen Worten kann jeder Zellenkanal eine unterschiedliche Anzahl von Elementarzellen umfassen. Zum Beispiel, unter Bezugnahme auf ein Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeug, kann der Brennstoffzellenstapel 10 434 Elementarzellen umfassen und zwei bis vier Elementarzellen können als ein Zellenkanal gruppiert sein, um 116 Zellenkanäle zu bilden. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird jeder Zellenkanal so beschrieben, dass er drei Elementarzellen umfasst.
  • Weiterhin kann die Diagnose-Analysevorrichtung 20 eingerichtet sein, um eine Spannungsmessung an jedem der Mehrzahl von Zellenkanälen Kan_1, Kan_2 ... Kan_n zu empfangen. Die Spannungsmessung an jedem der Mehrzahl von Zellenkanälen Kan_1, Kan_2 ... Kan_n kann durch eine Stapelspannungsüberwachungsvorrichtung (stack voltage monitor – SVM) 40 (z. B. ein Sensor) durchgeführt werden. Insbesondere kann die Diagnose-Analysevorrichtung 20 eingerichtet sein, um eine Lastspannung VLast und einen Stapelstrom IStapel, abgegeben von dem Brennstoffzellenstapel 10, zu empfangen. Ein herkömmlicher Stromsensor und Spannungssensor können jeweils verwendet werden, um den Strom beziehungsweise die Spannung zu messen. Die Diagnose-Analysevorrichtung 20 kann eine Brennstoffzellensteuereinheit (fuel cell control unit – FCU) sein. Die Diagnose-Analysevorrichtung 20 kann eine Vorrichtung sein, die die SVM 40 umfasst.
  • 2 zeigt eine Zeichnung, die eine Mehrzahl von Graphen darstellt, um einen Fall einer beschädigten Elementarzelle und einen Fall einer anormalen Spannungsmessung, die durchgeführt wird, zu vergleichen. Unter Bezugnahme auf 2 stellt jede horizontale Achse der Mehrzahl von Überwachungsgraphen (Monitoring-Graphen) 110, 120, 130, 140 und 150 jeweils die Zellenkanalzahlen dar und jede vertikale Achse der Mehrzahl von Überwachungsgraphen 110, 120, 130, 140 und 150 stellt jeweils die Spannungen der Zellenkanäle dar. Fall 2 stellt den Fall einer anormalen Spannungsmessung, die durchgeführt wird, dar. Weiterhin stellt Zustand 1 einen lastfreien Zustand (Zustand ohne Last) oder einen Zustand zu einem Zeitpunkt eines Startens eines Fahrzeugs dar, Zustand 2 stellt einen Zustand mit/bei mittlerer Leistung dar und Zustand 3 stellt einen Zustand mit/bei hoher Leistung (Hochleistungszustand) dar. Die Überwachungsgraphen 110, 120, 130, 140 und 150 stellen lediglich ein Ausführungsbeispiel dar und demzufolge können sich die Überwachungsgraphen 110, 120, 130, 140 und 150 gemäß spezifischen Konfigurationen/Anordnungen des Brennstoffzellenstapels 10 oder der Diagnose-Analysevorrichtung 20 und gemäß den Herstellern der Fahrzeuge oder Fahrzeugtypen unterscheiden.
  • Die Diagnose-Analysevorrichtung 20 kann eingerichtet sein, um den Überwachungsgraphen 110 beim Starten eines Fahrzeugs oder in einem lastfreien Zustand bereitzustellen, wenn eine Elementarzelle beschädigt ist (Fall 1 und Zustand 1). Der Stapelstrom IStapel kann 0 A betragen, da sich die Last 30 in einem offenen Zustand befindet. Insbesondere kann die gemessene Spannung VLast als eine ”Leerlaufspannung” bezeichnet werden. Da die Zellenkanalspannungen der Mehrzahl von Zellenkanälen ähnlich sind, kann es schwierig sein, zu bestimmen, welcher Zellenkanal eine minimale Zellenkanalspannung aufweist.
  • In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann ein Spannungsverhältnis als ein Verhältnis der minimalen Zellenkanalspannung zu einer durchschnittlichen Zellenkanalspannung definiert sein. Mit anderen Worten ist der Zähler des Spannungsverhältnisses die minimale Zellenkanalspannung und der Nenner des Spannungsverhältnisses ist die durchschnittliche Zellenkanalspannung. Demzufolge liegt das Spannungsverhältnis in einem Bereich von 0 bis 1. Ral kann ungefähr 1 betragen, wobei Ral das in dem Überwachungsgraphen berechnete Spannungsverhältnis ist.
  • Die Diagnose-Analysevorrichtung 20 kann eingerichtet sein, um den Überwachungsgraphen beim Starten des Fahrzeugs oder in einem lastfreien Zustand bereitzustellen, wenn die Spannungsmessung anormal ist (Fall 2 und Zustand 1). Insbesondere kann die SVM 40 einen Fehler in dem Messen einer Spannung eines n-ten Zellenkanals aufweisen. Unter Bezugnahme auf den Überwachungsgraphen 120 sind die Spannungen der meisten Zellenkanäle ähnlich, aber eine n-te Zellenkanalspannung 121 stellt die minimale Zellenkanalspannung dar. Rb1 kann kleiner als 1 sein, wobei Rb1 das berechnete Spannungsverhältnis hierin darstellt. Demzufolge kann Rb1 kleiner als Ral sein.
  • Demzufolge kann die Diagnose-Analysevorrichtung 20 eingerichtet sein, um zu bestimmen, dass die Spannungsmessung der SVM 40 in einer ersten Stufe (z. B. eine erste Anomalitätsstufe) anormal (z. B. fehlerhaft) ist, wenn das berechnete Spannungsverhältnis kleiner als ein erstes Referenzspannungsverhältnis beim Starten des Fahrzeugs ist. Zum Beispiel kann das erste Referenzspannungsverhältnis einen Wert zwischen Rb1 und Rb2 aufweisen. Das erste Referenzspannungsverhältnis kann gemäß den Herstellern oder Typen von Fahrzeugen verschieden sein. Die Diagnose-Analysevorrichtung 20 kann eingerichtet sein, um unter Verwendung des obigen Verifikationsverfahrens zu bestimmen, dass die Spannungsmessung in einer ersten Stufe anormal ist.
  • Außerdem kann die Diagnose-Analysevorrichtung 20 ein akkumuliertes Verifikationsverfahren verwenden, um genauer zu bestimmen, dass die Spannungsmessung anormal ist. Das akkumulierte Verifikationsverfahren kann erste bis vierte Stufen (Pegel/Grade) des Verifikationsverfahrens umfassen. Die zweiten bis vierten Stufen des Verifikationsverfahrens werden später beschrieben. Die Diagnose-Analysevorrichtung 20 kann eingerichtet sein, um zu bestimmen, dass die Spannungsmessung in einer ersten Stufe anormal ist, wenn eine Leerlaufspannung einer Last 30 gleich oder größer als eine Referenzspannung ist und das Spannungsverhältnis bei/auf weniger als das erste Referenzspannungsverhältnis für eine Refe
  • renzzeitdauer beim Starten des Fahrzeugs gehalten wird. Das Brennstoffzellenstapel-Diagnosesystem 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eingerichtet sein, um eine Luftelektrode (z. B. Kathode) des Brennstoffzellenstapels 10 mit Luft unter Verwendung eines Luftgebläses zu überladen, oder um eine Wasserstoffelektrode (z. B. Anode) des Brennstoffzellenstapels 10 mit Wasserstoffgas aus einem Wasserstoffgastank zu überladen. Als ein Ergebnis des Überladens kann die Diagnose-Analysevorrichtung 20 eingerichtet sein, um erneut zu überprüfen, dass die Spannungsmessung der SVM 40 anormal ist. Insbesondere kann die Diagnose-Analysevorrichtung 20 eingerichtet sein, um zu bestimmen, dass die Spannungsmessung der SVM 40 in einer zweiten Stufe anormal ist, wenn das Spannungsverhältnis kleiner als ein zweites Referenzspannungsverhältnis nach dem Überladen ist. Das Spannungsverhältnis, das kleiner als das zweite Referenzspannungsverhältnis nach dem Überladen ist, gibt an, dass sich das Spannungsverhältnis nach dem Überladen von Luft oder Wasserstoffgas minimal geändert hat.
  • Das Spannungsverhältnis kann nach dem Überladen zunehmen, wenn die SVM 40 richtig funktioniert (z. B. ohne Fehler oder Ausfall arbeitet) und eine Elementarzelle tatsächlich beschädigt ist. Wenn die Elementarzelle tatsächlich beschädigt ist, kann ein Nadelloch (z. B. eine minimale Öffnung oder ein Loch) an einer Membran der Elementarzelle gebildet sein. Als ein Ergebnis kann die Spannung der Elementarzelle abnehmen, da der Übergang (Cross-Over) von Wasserstoff oder Luft durch das Nadelloch eine normale Reaktion verhindert. Jedoch steigt durch das Überladen der Druck der Elektrode, die überladen wird, an, um den Übergang von Wasserstoffgas oder Luft, das/die von der gegenüberliegenden reaktiven Elektrode kommt, zu verhindern. Demzufolge kann die Spannung der Elementarzelle zeitweise normal (z. B. stabil) werden. Somit, wenn eine beschädigte Elementarzelle detektiert/erfasst wird, kann das Spannungsverhältnis durch das Überladen zunehmen. Das zweite Referenzspannungsverhältnis kann als das erhöhte Spannungsverhältnis, das gleich oder größer als das zweite Referenzspannungsverhältnis ist, eingestellt/festgesetzt werden. Das zweite Referenzspannungsverhältnis kann gemäß Herstellern oder Typen von Fahrzeugen verschieden sein.
  • Weiterhin kann die Diagnose-Analysevorrichtung 20 eingerichtet sein, um den Überwachungsgraphen 130 bereitzustellen, wenn der Brennstoffzellenstapel 10 jeweils eine mittlere Leistung abgibt und eine Elementarzelle tatsächlich beschädigt ist (Fall 1 und Zustand 2). Die Diagnose-Analysevorrichtung 20 kann eingerichtet sein, um den Überwachungsgraphen 140 bereitzustellen, wenn der Brennstoffzellenstapel 10 jeweils eine hohe Leistung abgibt und eine Elementarzelle tatsächlich beschädigt ist (Fall 1 und Zustand 3). Der Brennstoffzellenstapel 10 gibt eine mittlere oder hohe Leistung ab, wenn das Fahrzeug unter Verwendung der Leistung von dem Brennstoffzellenstapel 10 gefahren/angetrieben wird. Insbesondere kann die Diagnose-Analysevorrichtung 20 eingerichtet sein, um den Überwachungsgraphen 130 bereitzustellen, wenn der Brennstoffzellenstapel 10 eine relative mittlere Leistung abgibt, oder mit anderen Worten fließt eine minimale Menge des Stapelstromes IStapel. Unterdessen kann die Diagnose-Analysevorrichtung 20 eingerichtet sein, um den Überwachungsgraphen 140 bereitzustellen, wenn der Brennstoffzellenstapel 10 eine relativ hohe Leistung abgibt, oder mit anderen Worten fließt eine relativ hohe Menge des Stapelstromes IStapel. Unter Bezugnahme auf die Überwachungsgraphen 130 und 140 können sich die Zellenkanalspannungen der Mehrzahl von Zellenkanälen gemäß der Änderung des Stapelstromes IStapel ändern. Zusätzlich sind die Spannungswerte 131 und 141 eines m-ten Zellenkanals jeweils die minimalen Spannungswerte in den Überwachungsgraphen 130 und 140. Ra2 kann größer als Ra3 sein, wobei Rat das in dem Überwachungsgraphen 130 berechnete Spannungsverhältnis ist und Ra3 das in dem Überwachungsgraphen 140 berechnete Spannungsverhältnis ist. Demzufolge kann gemäß der Änderung der Ausgangsleistung von der mittleren Leistung zu der hohen Leistung, oder mit anderen Worten gemäß der Erhöhung des Stapelstromes das Spannungsverhältnis von Ra2 zu Ra3 geändert werden. Wenn sich das Spannungsverhältnis um mehr als einen bestimmten Bereich ändert, kann bestimmt werden, dass zumindest eine in dem m-ten Zellenkanal umfasste Elementarzelle beschädigt ist. In diesem Ausführungsbeispiel kann der bestimmte Bereich als ein Referenzspannungsverhältnisbereich bezeichnet werden. Der Referenzspannungsverhältnisbereich kann sich gemäß den Herstellern oder Typen Fahrzeugen unterscheiden.
  • Zusätzlich kann die Diagnose-Analysevorrichtung 20 eingerichtet sein, um den Überwachungsgraphen 150 bereitzustellen, wenn der Brennstoffzellenstapel 10 eine mittlere oder hohe Leistung abgibt und die Spannungsmessung der SVM 40 anormal ist (Fall2 und Zustand 2 oder 3). Der Brennstoffzellenstapel 10 kann eine mittlere oder hohe Leistung abgegeben, wenn das Fahrzeug unter Verwendung der Leistung von dem Brennstoffzellenstapel 10 gefahren/angetrieben wird. Hierin kann ein Fehler in der Messung der SVM 40 der Spannung des n-ten Zellenkanals erfasst werden. Rb2 ist das in dem Überwachungsgraphen 150 berechnete Spannungsverhältnis. Ra2 kann gemäß der Änderung der Ausgangsleistung oder des Stapelstromes IStapel relativ konstant gehalten werden, wenn die Spannungsmessung der Diagnose-Analysevorrichtung 20 anormal ist. Eine geänderte Menge von Rb2 kann im Vergleich zu einer detektierten beschädigten Elementarzelle unbedeutend sein. In diesem Zusammenhang kann auf 3 verwiesen werden. Demzufolge, da das Spannungsverhältnis in dem Referenzspannungsverhältnisbereich liegt, kann es möglich sein, zu bestimmen, dass die Spannungsmessung der Diagnose-Analysevorrichtung 20 in einer dritten Stufe anormal ist.
  • 3 zeigt eine Zeichnung, die eine Mehrzahl von Trendlinien gemäß einem Spannungsverhältnis mit Bezug auf einen Stapelstrom darstellt. Unter Bezugnahme auf 3 sind in dem Graphen, dessen horizontale Achse den Stapelstrom angibt und dessen vertikale Achse das Spannungsverhältnis angibt, eine Mehrzahl von Trendlinien 210, 220 und 230 dargestellt. Die Trendlinie 210 wird erzeugt durch Auftragen von Koordinaten, wenn sowohl die SVM 40 als auch der Brennstoffzellenstapel 10 normal sind (z. B. ohne Fehler arbeiten), die Trendlinie 220 wird erzeugt durch Auftragen von Koordinaten, wenn eine Elementarzelle des Brennstoffzellenstapels 10 beschädigt ist, und die Trendlinie 230 wird erzeugt durch Auftragen von Koordinaten, wenn die Spannungsmessung der SVM 40 anormal ist. In der Trendlinie 220 sind die Stufen der oben genannten Ra1, Ra2 und Ra3 relativ angegeben. Ferner sind in der Trendlinie 230 die Stufen der oben genannten Rb1 und Rb2 relativ angegeben.
  • In 3 ist ein Absolutwert einer Steigung der Trendlinie 230 im Vergleich zu dem der Trendlinie 220 minimal. Demzufolge, wenn eine Steigung einer Trendlinie kleiner als eine Referenzsteigung ist, kann es möglich sein, zu bestimmen, dass die Spannungsmessung der SVM 40 in einer vierten Stufe anormal ist. Wie oben erläutert, kann die Spannungsmessung der SVM 40 als anormal gemäß der ersten bis vierten Stufe bestimmt werden. Die vorgenannten ersten bis vierten Stufen des Verifikationsverfahrens können auf der Grundlage der vorgenannten Reihenfolge durchgeführt werden. Jedoch kann in einem anderen Ausführungsbeispiel das Verifikationsverfahren in einer entsprechend geänderten Reihenfolge durchgeführt werden, oder einer Reihenfolge, in der zumindest eine Stufe des Verifikationsverfahrens weggelassen wird.
  • Wenn die anormale Spannungsmessung unter Verwendung des obigen Verifikationsverfahrens bestätigt wird, kann der Zellenkanal mit der minimalen Zellenkanalspannung durch den Spannungssensor nicht abgetastet/erfasst werden und es kann davon ausgegangen werden, dass er einen Fehler aufweist. Mit anderen Worten kann die Diagnose-Analysevorrichtung 20 eingerichtet sein, um das Spannungsverhältnis ohne den Spannungswert, der von dem Zellenkanal mit der minimalen Zellenkanalspannung berechnet wird, zu berechnen, indem der gemessene Spannungswert weggelassen oder nicht berücksichtigt wird. Zum Beispiel kann das Spannungsverhältnis berechnet werden durch Verwenden des Spannungswertes, der gemessen wird von einem Zellenkanal mit der 2-ten minimalen Zellenkanalspannung als Zähler des Spannungsverhältnisses. Wenn bestimmt wird, dass die Spannungsmessung des Zellenkanals mit der zweiten minimalen Zellenkanalspannung auch einen Fehler aufweist, kann das Spannungsverhältnis berechnet werden durch Verwenden des Spannungswertes, der gemessen wird von einem Zellenkanal mit der dritten minimalen Zellenkanalspannung als Zähler des Spannungsverhältnisses.
  • Gemäß der vorliegenden Offenbarung können die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Fahrzeugs verbessert werden, indem eine unnötige Strombegrenzung, Abschaltung, Fehlersituation beim Starten, usw., die durch einen Erfassungsfehler verursacht werden, verhindert werden.
  • Die Zeichnungen und die ausführliche Beschreibung der vorliegenden Erfindung, die oben beschrieben werden, sind lediglich veranschaulichend, werden nur zum Zwecke der Beschreibung der vorliegenden Erfindung verwendet und werden nicht verwendet, um die Bedeutung zu qualifizieren oder den Umfang der vorliegenden Erfindung zu beschränken, die in den beigefügten Ansprüchen offenbart ist. Demzufolge versteht es sich für den Fachmann, dass verschiedene Modifikationen und Ersetzungen vorgenommen werden können und weitere äquivalente Ausführungsbeispiele verfügbar sind. Daher muss der tatsächliche technische Schutzbereich der vorliegenden Erfindung durch die Lehre der beigefügten Ansprüche bestimmt werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Brennstoffzellenstapel-Diagnosesystem
    10
    Brennstoffzellenstapel
    20
    Diagnose-Analysevorrichtung
    30
    Last
    40
    SVM

Claims (18)

  1. Brennstoffzellenstapel-Diagnosesystem, aufweisend: einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von Zellkanälen und eine Diagnose-Analysevorrichtung, die eingerichtet ist, um eine Spannungsmessung von jedem der Mehrzahl von Zellkanälen zu empfangen, wobei die Diagnose-Analysevorrichtung eingerichtet ist, um zu bestimmen, dass die Spannungsmessung in einer ersten Stufe anormal ist, wenn ein Spannungsverhältnis kleiner als ein erstes Referenzspannungsverhältnis beim Starten eines Fahrzeugs ist, in dem das Brennstoffzellenstapel-Diagnosesystem montiert ist, und wobei das Spannungsverhältnis ein Verhältnis einer minimalen Zellenkanalspannung zu einer durchschnittlichen Zellenkanalspannung ist.
  2. Brennstoffzellenstapel-Diagnosesystem nach Anspruch 1, wobei das Brennstoffzellenstapel-Diagnosesystem eingerichtet ist, um den Brennstoffzellenstapel mit zumindest einem aus Luft und Wasserstoffgas zu überladen, und die Diagnose-Analysevorrichtung eingerichtet ist, um zu bestimmen, dass die Spannungsmessung in einer zweiten Stufe anormal ist, wenn das Spannungsverhältnis kleiner als ein zweites Referenzspannungsverhältnis nach dem Überladen ist.
  3. Brennstoffzellenstapel-Diagnosesystem nach Anspruch 2, wobei die Diagnose-Analysevorrichtung eingerichtet ist, um zu bestimmen, dass zumindest eine Elementarzelle innerhalb eines Zellenkanals mit der minimalen Zellenkanalspannung beschädigt ist, wenn das Spannungsverhältnis gleich oder größer als das zweite Referenzspannungsverhältnis nach dem Überladen ist.
  4. Brennstoffzellenstapel-Diagnosesystem nach Anspruch 3, wobei die Diagnose-Analysevorrichtung eingerichtet ist, um zu bestimmen, dass ein Nadelloch an einer Membran der zumindest einen Elementarzelle gebildet ist, wenn das Spannungsverhältnis gleich oder größer als das zweite Referenzspannungsverhältnis nach dem Überladen ist.
  5. Brennstoffzellenstapel-Diagnosesystem nach Anspruch 2, wobei die Diagnose-Analysevorrichtung eingerichtet ist, um zu bestimmen, dass die Spannungsmessung in einer dritten Stufe anormal ist, wenn das Spannungsverhältnis in einem Referenzspannungsverhältnisbereich liegt, während das Fahrzeug gefahren wird.
  6. Brennstoffzellenstapel-Diagnosesystem nach Anspruch 5, wobei das Fahrzeug ein Antriebsmoment unter Verwendung eines von dem Brennstoffzellenstapel abgegebenen Stapelstromes erzeugt.
  7. Brennstoffzellenstapel-Diagnosesystem nach Anspruch 6, wobei die Diagnose-Analysevorrichtung eingerichtet ist, um eine Steigung einer durch Auftragen des Spannungsverhältnisses in Abhängigkeit von dem Stapelstrom erzeugten Trendlinie zu berechnen, und um zu bestimmen, dass die Spannungsmessung in einer vierten Stufe anormal ist, wenn ein Absolutwert der Steigung kleiner als eine Referenzsteigung ist.
  8. Brennstoffzellenstapel-Diagnosesystem nach Anspruch 8, wobei die Diagnose-Analysevorrichtung eingerichtet ist, um das Spannungsverhältnis durch Weglassen eines Spannungswertes, der von dem Zellenkanal mit der minimalen Zellenkanalspannung gemessen wird, zu berechnen, wenn die Spannungsmessung als anormal bestimmt wird.
  9. Brennstoffzellenstapel-Diagnosesystem nach Anspruch 1, wobei die Diagnose-Analysevorrichtung eingerichtet ist, um zu bestimmen, dass die Spannungsmessung in einer fünften Stufe anormal ist, wenn eine Leerlaufspannung einer Last gleich oder größer als eine Referenzspannung ist und das Spannungsverhältnis auf weniger als das erste Referenzspannungsverhältnis für eine Bezugszeitdauer beim Starten des Fahrzeugs gehalten wird.
  10. Brennstoffzellenstapel-Diagnoseverfahren, aufweisend: Durchführen, durch eine Steuerung, einer Spannungsmessung an jedem der Mehrzahl von Zellenkanälen, die in einem Brennstoffzellenstapel umfasst sind; und Bestimmen, durch die Steuerung, dass die Spannungsmessung in einer ersten Stufe anormal ist, wenn ein Spannungsverhältnis kleiner als ein erstes Referenzspannungsverhältnis beim Starten des Fahrzeugs ist, wobei das Spannungsverhältnis ein Verhältnis einer minimalen Zellenkanalspannung zu einer durchschnittlichen Zellenkanalspannung ist.
  11. Brennstoffzellenstapel-Diagnoseverfahren nach Anspruch 10, ferner aufweisend: Überladen, durch die Steuerung, des Brennstoffzellenstapels mit zumindest einem aus Luft und Wasserstoffgas; und Bestimmen, durch die Steuerung, dass die Spannungsmessung in einer zweiten Stufe anormal ist, wenn das Spannungsverhältnis kleiner als ein zweites Referenzspannungsverhältnis nach dem Überladen ist.
  12. Brennstoffzellenstapel-Diagnoseverfahren nach Anspruch 11, ferner aufweisend: Bestimmen, durch die Steuerung, dass zumindest eine Elementarzelle innerhalb eines Zellenkanals mit der minimalen Zellenspannung beschädigt ist, wenn das Spannungsverhältnis gleich oder größer als das zweite Referenzspannungsverhältnis nach dem Überladen ist.
  13. Brennstoffzellenstapel-Diagnoseverfahren nach Anspruch 12, wobei die Bestimmung, dass die zumindest eine Elementarzelle beschädigt ist, eine Bildung eines Nadellochs an einer Membran der zumindest einen Elementarzelle angibt.
  14. Brennstoffzellenstapel-Diagnoseverfahren nach Anspruch 11, ferner aufweisend: Bestimmen, durch die Steuerung, dass die Spannungsmessung in einer dritten Stufe anormal ist, wenn das Spannungsverhältnis in einem Referenzspannungsverhältnisbereich liegt, während das Fahrzeug gefahren wird.
  15. Brennstoffzellenstapel-Diagnoseverfahren nach Anspruch 14, wobei das Fahrzeug ein Antriebsmoment unter Verwendung eines von dem Brennstoffzellenstapel abgegebenen Stapelstromes erzeugt.
  16. Brennstoffzellenstapel-Diagnoseverfahren nach Anspruch 15, ferner aufweisend: Berechnen, durch die Steuerung, einer Steigung einer durch Auftragen des Spannungsverhältnisses in Abhängigkeit von dem Stapelstrom erzeugten Trendlinie; und Bestimmen, durch die Steuerung, dass die Spannungsmessung in einer vierten Stufe anormal ist, wenn ein Absolutwert der Steigung kleiner als eine Referenzsteigung ist.
  17. Brennstoffzellenstapel-Diagnoseverfahren nach Anspruch 16, ferner aufweisend: Berechnen, durch die Steuerung, des Spannungsverhältnisses durch Weglassen eines Spannungswertes, der von dem Zellenkanal mit der minimalen Zellenspannung gemessen wird, wenn die Spannungsmessung als anormal bestimmt wird.
  18. Brennstoffzellenstapel-Diagnoseverfahren nach Anspruch 10, ferner aufweisend: Messen, durch die Steuerung, einer Leerlaufspannung einer Last beim Starten des Fahrzeugs; und Bestimmen, durch die Steuerung, dass die Spannungsmessung in der ersten Stufe anormal ist, wenn die Leerlaufspannung der Last gleich oder größer als eine Referenzspannung ist.
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