DE102017208865A1 - Vorrichtung, Fortbewegungsmittel und Verfahren zur Protokollierung einer Leistungsfähigkeit eines Brennstoffzellensystems - Google Patents

Vorrichtung, Fortbewegungsmittel und Verfahren zur Protokollierung einer Leistungsfähigkeit eines Brennstoffzellensystems Download PDF

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Abstract

Es werden eine Vorrichtung, ein Fortbewegungsmittel sowie ein Verfahren zur Protokollierung einer Leistungsfähigkeit eine Brennstoffzellensystems (1) vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die Schritte:- Zwischenspeichern der Zelldaten in einem Ringspeicher und Ermitteln eines jeweiligen Kennwertes für eine Leistungsfähigkeit einer Vielzahl Zellen (2) des Brennstoffzellensystems (1),- Vergleichen des Kennwertes mit einem (ermittelten) Normwert,- Abspeichern des Kennwertes in Abhängigkeit eines Ergebnisses des Vergleiches in einer Speichereinheit und/oder- Verwerfen des Kennwertes in Abhängigkeit eines Ergebnisses des Vergleiches.- Schreiben eines Fehlerspeichereintrages in Abhängigkeit eines Ergebnisses einer Vielzahl von Vergleichen.

Description

  • Die vorliegend offenbarte Technologie betrifft eine Vorrichtung, ein Fortbewegungsmittel sowie ein Verfahren zur Protokollierung einer Leistungsfähigkeit eines Brennstoffzellensystems. Insbesondere betrifft die vorliegend offenbarte Technologie eine in geeigneter Weise stattfindende Speicherung auffälliger Zellkenngrößen. Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle und das Brennstoffzellensystem ist beispielsweise für mobile Anwendungen, wie Kraftfahrzeuge, gedacht, insbesondere zur Bereitstellung der Energie für mindestens eine Antriebsmaschine zur Fortbewegung des Kraftfahrzeugs. In ihrer einfachsten Form ist eine Brennstoffzelle ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff (z. B. Wasserstoff) und Oxidationsmittel (z. B. Luft, Sauerstoff und Peroxide) in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert.
  • Die Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems umfassen in der Regel zwei Separatorplatten. Der ionenselektive Separator einer Brennstoffzelle ist in der Regel jeweils zwischen zwei Separatorplatten angeordnet. Die eine Separatorplatte bildet zusammen mit dem ionenselektiven Separator die Anode aus. Die auf der gegenüberliegenden Seite des ionenselektiven Separators angeordnete weitere Separatorplatte bildet indes zusammen mit dem ionenselektiven Separator die Kathode aus. In den Separatorplatten sind bevorzugt Gaskanäle für Brennstoff- bzw. für Oxidationsmittel vorgesehen.
  • Die Separatorplatten können als Monopolarplatten und/oder als Bipolarplatten ausgestaltet sein. Mit anderen Worten weist eine Separatorplatte zweckmäßig zwei Seiten auf, wobei die eine Seite zusammen mit einem ionenselektiven Separator eine Anode ausbildet und die zweite Seite zusammen mit einem weiteren ionenselektiven Separator einer benachbarten Brennstoffzelle eine Kathode ausbildet. Zwischen den ionenselektiven Separatoren und den Separatorplatten sind in der Regel noch sogenannte Gasdiffusionsschichten bzw. Gasdiffusionslagen (GDL) vorgesehen.
  • Um den hohen Leistungsbedarf in der automobilen Anwendung zu decken, werden typischerweise mehrere hundert Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel (Stack) seriell hintereinander geschaltet. Die typische Betriebsspannung einer Zelle liegt zwischen 0,5 Volt und 1,0 Volt. Unter der Voraussetzung, dass Gas-, Feuchte-, Temperaturverteilung optimal ist, wird eine homogene Zellspannung über den Stack erwartet.
  • Eine Brennstoffzelle kann durch verschiedene Mechanismen temporär oder irreversibel degradieren, z.B. durch häufige Lastwechsel, Umwelteinflüsse aber auch durch Unterversorgung durch die Reaktionsmedien, insbesondere einer Unterversorgung von Wasserstoff auf der Anode.
  • Um Probleme in einzelnen Zellen zu detektieren, wird bei einem Brennstoffzellen-Stack kontinuierlich eine Einzel-Zellspannungsmessung über ein sogenanntes Cell-Volt-Monitoring (CVM) durchgeführt und überwacht. Eine typische Reaktion auf einen temporären Fehlerfall in einer Zelle ist eine Leistungsreduzierung oder ein Wechsel der Stack-Betriebsparameter. Diese Eingriffe stabilisieren die auffällig gewordene Zelle und somit die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems. Ob eine bleibende Degradation in der Zelle stattgefunden hat, ist hierbei jedoch nicht ohne weitere Analyse in Erfahrung zu bringen.
  • Mit dem CVM wird nur ein momentaner Stack/Zellzustand erfasst. Dieser beinhaltet jedoch nur Zellspannungseffekte bzw. Degradationen, die temporär auftreten und die eingeleiteten Gegenmaßnahmen sollen lediglich einen sicheren Betrieb des Gesamtsystems wiederherstellen. Nicht jedoch wird eine Degradation einer Einzelzelle über einen längeren Zeitraum erkannt. Entsprechende Prozeduren, um eine Art „State of Health (SoH, Gesundheitszustand)“ zu ermitteln, sind beispielsweise die Folgenden:
  • Zur Charakterisierung des Stacks und/oder der Einzelzellen sind Referenzlastzyklen bekannt, welche beispielsweise in Form von Polkurven (U-I-Kennlinie) definiert sind. Diese Zyklen überprüfen jedoch lediglich einen bestimmten Erwartungswert, treten im realen Betrieb eines Fahrzeuges durch einen Kunden nicht auf und müssten somit „künstlich“ ausgelöst werden, z. B. bei jedem 20. Start die vordefinierte Polkurve „abfahren“.
  • Das Gleiche gilt für Referenzlastpunkte während des Fahrbetriebs, z. B. bei definierten Stromdichten von 1 A/cm2, 2 A/cm2. Bei derartigen Stromdichten wird eine bestimmte Zellperformance erwartet. Bei untypischer Fahrweise können diese „Referenzen“ ebenfalls selten, nur kurz oder theoretisch nie auftreten und spiegeln außerdem nur jeweils einen Betriebszustand wider.
  • Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil der vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgaben werden durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
  • Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Verfahren zur Protokollierung einer Leistungsfähigkeit eines Brennstoffzellensystems vorgeschlagen. Mit anderen Worten wird ein Verfahren vorgeschlagen, mittels welchem die Zellperformance über der Zeit nachverfolgt bzw. gespeichert werden kann. Dazu wird mindestens ein Kennwert für eine Leistungsfähigkeit der Einzelzellen des Brennstoffzellensystems ermittelt. Dies kann beispielsweise ein Strommessung, Spannungsmessung, Impedanzmessung o.ä. umfassen.
  • Im ersten Schritt wird eine Vielzahl von Einzelzelldaten aus dem CVM in einem Ringspeicher zwischengespeichert. Anschließend werden die Werte analysiert und ein Kennwert ermittelt welcher dann mit einem Normwert verglichen wird. Der Normwert kann beispielsweise ein Durchschnittswert sämtlicher Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems sein. Zudem wird der Kennwert in Abhängigkeit eines Ergebnisses des Vergleiches in einer Speichereinheit abgespeichert oder verworfen. Das Abspeichern kann beispielsweise unter der Voraussetzung erfolgen, dass ein von dem Normwert in vordefinierter Weise abweichender Kennwert vorliegt. Das Verwerfen des Kennwertes kann insbesondere unter der Voraussetzung erfolgen, dass ein dem Normwert im Wesentlichen entsprechender Kennwert ermittelt wurde. Das Verwerfen des Kennwertes kann beispielsweise durch ein Löschen des Kennwertes aus einem Speicher erfolgen, sofern der Kennwert zuvor in den Speicher geschrieben worden war. Somit ergibt sich ein Datenstand im Speicher, welcher die relevanten Kennwerte der im Brennstoffzellensystem enthaltenen Zellen über der Zeit wiedergibt und umfangreiche Auswertungen und Erkenntnisse zulässt.
  • Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Technologie. Die Zelldaten können beispielsweise zunächst in dem Ringspeicher zwischengespeichert werden. Die Auswertung kann also zu einem späteren Zeitpunkt als die Ermittlung erfolgen, sodass beispielsweise zunächst sämtliche Kennwerte der jeweiligen Zellen des Brennstoffzellensystems ermittelt werden können, bevor der Ringspeicher mit neuen Zellmessdaten überschrieben wird. Ergibt sich zu einem späteren Zeitpunkt der (noch nicht untersuchten) Kennwerte, dass eine vordefinierte Abweichung von einem jeweiligen Normwert vorliegt, kann der Kennwert später aus der Speichereinheit gelöscht werden (verworfen werden). Alternativ kann das Abspeichern des Kennwertes in der Speichereinheit nur unter der Voraussetzung erfolgen, dass eine vordefinierte Abweichung des Kennwertes von dem Normwert während des Vergleiches ermittelt worden ist. Auf diese Weise können die Schreibzugriffe auf den nicht-flüchtigen Speicher der Speichereinheit verringert werden.
  • Bevorzugt kann der jeweilige Kennwert für sämtliche Zellen des Brennstoffzellensystems ermittelt werden, sodass ein möglichst umfassender Kenntnisstand über die Performance der im Brennstoffzellensystem enthaltenen Zellen entsteht. Mit anderen Worten kann für sämtliche Zellen des Brennstoffzellensystems ein Kennwert ermittelt werden, bevor für eine Zelle des Brennstoffzellensystems ein zweiter Kennwert zu einem späteren Zeitpunkt ermittelt wird. Hierbei können die Kennwerte in regelmäßigen zeitlichen Abständen und/oder im Ansprechen auf vordefinierte Bedingungen (insbesondere Betriebszustände des Brennstoffzellensystems) ermittelt werden. Insbesondere kann zu vordefinierten Zeitpunkten und/oder nach vordefinierten verstrichenen Betriebsdauern (z. B. seit Inbetriebnahme bzw. Start eines Lebenszyklus') ein jeweiliger weiterer Kennwert ermittelt werden. Beispielsweise kann nach 5 Minuten, 10 Minuten, 15 Minuten o. ä. ein jeweiliger weiterer Kennwert für eine jeweilige Zelle ermittelt werden, spätestens aber, wenn das Ringspeichervolumen der Speichereinheit komplett mit neuen Messdaten befüllt wurde. Auf diese Weise ergibt sich eine über der Zeit kontinuierliche Informationslage bezüglich der Performance des Brennstoffzellensystems und seiner Bestandteile.
  • Der Normwert kann beispielsweise eine Durchschnittsspannung repräsentieren, welche durch Messung der einzelnen Zellspannungen, Addition und Teilung durch die Anzahl der Zellen errechnet werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann noch eine Gesamtklemmenspannung des Brennstoffzellensystems oder einer Brennstoffzelle ermittelt und durch die Anzahl der am Zustandekommen der Klemmenspannung beteiligten Zellen geteilt werden. Entsprechende Kenngrößen können als Durchschnittsspannung, Durchschnittsinnenwiderstand o. ä. ermittelt werden.
  • Beispielweise kann die Zelldegradation, also die Abweichung von einem Kennwert zum Normwert, absolut oder relativ dargestellt werden, beispielweise in Prozent und gemeinsam mit der jeweiligen Zellnummer im Speicher abgelegt werden.
  • Der Normwert kann für eine betrachtete Zelle eine zu einem vordefinierten früheren Zeitpunkt ermittelte Kenngröße der Zelle sein. Beispielsweise kann eine Abweichung zum Normwert zu einem früheren Zeitpunkt erstmals gemessen, abgespeichert und zu einem späteren Zeitpunkt erneut ermittelt werden. Sofern eine vordefinierte Abweichung zwischen den beiden Ergebnissen der Spannungsmessungen besteht, wobei insbesondere die später ermittelte Abweichung gegenüber der früher ermittelten Normwertabweichung zurückbleibt, kann ein Eintrag in der Speichereinheit vorgenommen werden.
  • Bevorzugt kann berücksichtigt werden, in welchem Betriebszustand sich das Brennstoffzellensystem während der Ermittlung des Kennwertes und/oder des Normwertes befindet. Insbesondere kann bei einer Ermittlung jeweiliger Kennwerte und Normwerte berücksichtigt werden, dass zueinander korrespondierende Betriebszustände vorgelegen haben. Bevorzugt kann auch eine digitale Information, repräsentierend den Betriebszustand, gemeinsam mit dem Kennwert bzw. dem Normwert abgespeichert werden. Auf diese Weise kann zu einem späteren Zeitpunkt eine Umrechnung auf Basis unterschiedlicher Betriebszustände ermittelter Werte vorgenommen werden. In einer ersten Ausgestaltung kann der Betriebszustand lediglich dahingehend abgespeichert werden, dass eine bestimmte Klasse von Betriebszustand bei der Ermittlung des Wertes vorgelegen hat. Anschließend kann bei einem Vergleich von Werten sichergestellt werden, dass einander im Wesentlichen entsprechende Betriebszustände vorgelegen haben, um zueinander korrespondierende Werte miteinander zu vergleichen. In einer zweiten Ausgestaltung kann eine quantitative Protokollierung des Betriebszustandes vorgenommen und ein entsprechender digitaler Wert mit dem Normwert bzw. Kennwert abgespeichert werden. Beispielsweise kann ein Lastzustand auf eine maximale Last bezogen (normiert) werden und beispielsweise in Prozent, gemeinsam mit dem jeweiligen Wert, abgelegt werden. Bei entsprechender Systemkenntnis können Norm- und/oder Kennwerte auf Basis eines solchen Lastzustandswertes ineinander überführt werden, um die Performance der Zellen des Brennstoffzellensystems zu ermitteln und zeitlich engmaschig zu überwachen. Somit wird die Zelldegradation relativ dargestellt, um unabhängig von der Last eine Beurteilung der Zellen vorzunehmen.
  • Der Vergleich kann bevorzugt erst im Ansprechen auf eine vordefinierte Bedingung erfolgen. Beispielsweise kann eine vordefinierte Anzahl Kennwerte ermittelt worden sein, im Ansprechen worauf der Vergleich vorgenommen wird. Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass für jede Zelle des Brennstoffzellensystems zumindest ein Kennwert oder eine vordefinierte Anzahl Kennwerte vorliegen muss, bevor ein Vergleich des jeweiligen Kennwertes mit dem Normwert angestoßen wird. Entsprechendes gilt für das Abspeichern bzw. Verwerfen des jeweiligen Kennwertes. Beispielsweise kann im Ansprechen auf das Ermitteln, dass sämtliche Zellen durch mindestens einen Kennwert repräsentiert werden, zunächst ein Normwert gebildet (z. B. durch Mittelwertbildung ermittelt) werden und im Ansprechen darauf die einzelnen Kennwerte der Zellen mit dem ermittelten Mittelwert verglichen werden.
  • Ein Kriterium dafür, dass ein Kennwert einer betrachteten Zelle in die Speichereinheit zu schreiben ist, kann darin bestehen, dass eine vordefinierte Anzahl Zellen des Brennstoffzellensystems eine höhere Leistungsfähigkeit aufweist, als die betrachtete Zelle. Insbesondere kann die Leistungsfähigkeit um einen vordefinierten Prozentsatz oberhalb derjenigen der betrachteten Zelle liegen. Ist dies der Fall, wird der Kennwert der Zelle in der Speichereinheit abgespeichert, anderenfalls wird entweder kein Speichereintrag vorgenommen oder der Speicherwert verworfen (gelöscht). Um die Erkenntnisse aus dem Verfahren zur Einleitung von Maßnahmen verwenden zu können, kann beispielsweise eine Wartungs- und/oder Reparaturaufforderung an einen Anwender des Brennstoffzellensystems ausgegeben werden, sofern die Performance einer betrachteten Zelle nachhaltig verringert und/oder in vordefinierter Weise von dem Normwert abweicht. Beispielsweise kann eine vordefinierte Anzahl von Vergleichen eine vordefinierte Abweichung des Normwertes vom Kennwert (oder anders herum) zutage fördern, bis die Wartungs- und/oder Reparaturaufforderung an den Anwender ergeht. Entsprechend kann ein Fehlerspeichereintrag im Ansprechen auf ein vordefiniertes Ergebnis des Vergleiches geschrieben werden. Mit anderen Worten kann eine dauerhafte Dokumentation (insbesondere außerhalb des Ringspeichers) vorgenommen werden, um beispielsweise einen Ersatz der unterdurchschnittlich performanten Zelle zu dokumentieren. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Werkstattmitarbeiter/Servicemitarbeiter ermitteln, welche Zelle des Brennstoffzellensystems zu reparieren bzw. zu ersetzen ist, um eine verbesserte Gesamtperformance des Brennstoffzellensystems zu erreichen.
  • Nach der hier vorgestellten Methode in Verbindung mit einer Speichereinheit mit mindestens einem Ringspeicher wird eine mögliche Schädigung einer Einzelzelle über die Diagnosemöglichkeit des Fahrzeug-Steuergerätes erkannt und ggf. als Fehlercode hinterlegt. Die Diagnosefunktion bedient sich aus der kontinuierlichen Messung und Überwachung des CVMs, ist selbst keine Life-Diagnose, sondern beruht auf Statistik, in der aufgetretene Ereignisse unterteilt in Betrachtungsintervalle in einen Ringspeicher abgelegt und analysiert werden.
  • Ermittelt wird jeweils beispielsweise die schwächste Zelle (mit der kleinsten Einzelzellspannung o. ä.) aller Zellen in einem vordefinierten Zeitintervall (insbesondere ganzzahlige Minutenvielfache zwischen 1 und 100). Als Ergebnis wird für jedes Intervall die niederperformanteste Zelle des Stacks identifiziert (z. B. Zellnummer protokolliert). Zusätzlich kann die prozentuale Abweichung zur durchschnittlichen Zellspannung (= Stackspannung/Anzahl der Zellen) zurückgemeldet werden. Ist eine Zellnummer in einer Anzahl X (z. B. 5) zeitlich aufeinander folgender Intervalle auffällig, so wird diese Zelle als „Low Performance Cell“ (LPC) gekennzeichnet. Weiter wird nun die Abweichung betrachtet, welche diese Zellen zur mittleren Zellspannung besitzt. Diese Abweichung wird prozentual angegeben, um unabhängig von einem bestimmten Lastpunkteinfluss zu sein. Mit anderen Worten wird kein Volt-Differenzbetrag angegeben, da dazu weitere Größen betrachtet werden müssten (z. B. in welchem Lastpunkt wurden der Kennwert und der Normwert ermittelt), sondern es wird die Aussage getroffen, dass die Zellspannung um einen Prozentwert X % geringer als die Durchschnittszelle ist.
  • Ist die Zelle zwar als „Low performance“ gekennzeichnet, das heisst es wurde zu einem früheren Zeitpunkt schon mindestens ein Kennwert erfasst, der dieses Kriterium erfüllt, aber es ist kein Trend einer weiteren Verschlechterung des Kennwertes zu erkennen, dann ist kein Handlungsbedarf gegeben, sofern die Niederperformance/Minderperformance nicht unmittelbar einen Handlungsbedarf ergibt. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass aufgrund der Bauart oder der Fertigungsstreuung Zellen als auszutauschen kategorisiert werden, welche im weiteren Verlauf nicht stärker von der Performance der übrigen Zellen driften.
  • Um die mögliche Anzahl „False positives/false negatives“ zu minimieren, sind bestimmte Schwellenwerte festzulegen. Z.B. können Trendbetrachtungen eingestellt werden, wenn z.B. eine Zelle weniger als 5 % von der Durchschnittszelle abweicht, also sich in einer definierten, zulässigen Streuung um den Durchschnittswert befindet oder im Gegenzug wenn z.B. eine hohe Degradation schlagartig auftritt, aber kein Trend erkennbar ist, da die Spannungsabweichung konstant, z. B. größer oder gleich 50 % vom Normwert beträgt, wodurch ebenfalls ein Handlungsbedarf angezeigt wird.
  • Für ein weiteres Szenario, in dem z. B. mehr als eine Zelle degradiert ist und sich keine eindeutige Struktur mit hintereinander folgenden Intervallen erkennen lässt, z. B. Zelle A und B sind degradiert und wechseln sich in hintereinander folgenden Intervallen als schlechteste Zelle kontinuierlich ab, sodass auch ein übergeordnetes Intervall greifen kann, z. B. wenn aus einer Anzahl Intervallen X (z. B. 10) eine Zelle mindestens X/2 (z. B. 5x) auffällig geworden ist, wird diese Zellnummer ebenfalls als „LPC“ gekennzeichnet. Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegend offenbarten Technologie wird eine Vorrichtung zur Protokollierung einer Leistungsfähigkeit eines Brennstoffzellensystems vorgeschlagen. Die Vorrichtung umfasst eine Auswerteeinheit (z. B. ein elektronisches Steuergerät, ein programmierbarer Prozessor, ein Mikrocontroller o. ä.) und eine Speichereinheit, bestehend aus einem nicht-flüchtigen Speicher, welcher beispielsweise als Festplattenspeicher, Solid State Storage, Flashspeicher, NVRAM o. ä. ausgestaltet sein kann, sowie einem Ringspeicher, welcher bevorzugt als flüchtiger Speicher (z.B. RAM) ausgeführt ist. Die Auswerteeinheit ist eingerichtet, einen jeweiligen Kennwert für eine Leistungsfähigkeit einer Vielzahl von Zellen des Brennstoffzellensystems zu ermitteln, z. B. zu messen. Zudem ist die Auswerteeinheit eingerichtet, den Kennwert mit einem (jeweiligen) Normwert zu vergleichen. Der Normwert kann beispielsweise ein für sämtliche Zellen gemeinsam ermittelter Normwert oder für eine jeweilige Zelle ermittelter jeweiliger Normwert sein. In Abhängigkeit des Vergleichsergebnisses wird der Kennwert in die Speichereinheit geschrieben bzw. verworfen (z. B. aus dem Speicher wieder gelöscht). Auf diese Weise ist die Vorrichtung eingerichtet, ein Verfahren gemäß dem oben genannten Aspekt auszuführen bzw. in einem solchen Verfahren verwendet zu werden. Die Merkmale, Merkmalskombinationen und Vorteile entsprechen derart ersichtlich denjenigen des Verfahrens, dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
  • Gemäß einem dritten Aspekt wird ein Fortbewegungsmittel vorgeschlagen, welches eine Vorrichtung gemäß dem zweitgenannten Aspekt aufweist. Insbesondere ist das Fortbewegungsmittel als (rein) elektrisch antreibbares Fortbewegungsmittel ausgestaltet und weist zur Bereitstellung elektrischer Traktionsenergie eine gemäß dem oben offenbarten Verfahren betriebene Brennstoffzelle auf. Auch bezüglich des Fortbewegungsmittels wird hinsichtlich der Merkmale, Merkmalskombinationen und Vorteile auf die obigen Ausführungen verwiesen.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Technologie ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:
    • 1 Eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Fortbewegungsmittels in Übereinstimmung mit der hier offenbarten Technologie, aufweisend eine Vorrichtung eines Ausführungsbeispiels der hier offenbarten Technologie; und
    • 2 ein Flussdiagramm veranschaulichend Schritte eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens gemäß der hier offenbarten Technologie.
  • 1 zeigt einen elektrisch antreibbaren Pkw 10 als Fortbewegungsmittel, in welchem ein Brennstoffzellensystem 1 mit einer Vielzahl Zellen 2 entsprechend der hier offenbarten Technologie durch eine Vorrichtung 5 mit einem elektronischen Steuergerät 4 als Auswerteeinheit und einer Speichereinheit 3 bestehend aus einem flüchtigen Ringspeicher und einem nicht-flüchtigen Festspeicher überwacht wird. Die Vorrichtung 5 ist eingerichtet, die Einzelzellspannungen der Zellen 2 zu ermitteln und einen arithmetischen Mittelwert der Zellspannungen zu errechnen. Ab Inbetriebnahme des Pkws 10 wird alle 5 Minuten mindestens 1 Spannungswert als Kennwert der Einzelspannungen der Zellen 2 durch das elektronische Steuergerät 4 ermittelt und mit einem zuvor ermittelten Zellspannungsmittelwert als Normwert verglichen. Sofern sich eine Abweichung um einen vordefinierten Prozentsatz der Zellspannung der betrachteten Zelle 2 gegenüber dem Normwert ergibt, wird in der Speichereinheit 3 ein Eintrag vorgenommen, welcher die Zelle 2 identifiziert und die Abweichung (z. B. in Prozent) repräsentiert. Über der Zeit kann die Performanceentwicklung der betrachteten Zelle 2 analysiert und die betrachtete Zelle 2 im Falle einer dramatischen Performanceentwicklung ausgetauscht werden, sofern ein entsprechender Fehlerspeichereintrag 3 bei einem nächsten Werkstattaufenthalt den (nicht dargestellten) Servicemitarbeiter darüber informiert, dass die betrachtete Zelle 2 die Leistungsfähigkeit und/oder Dauerhaltbarkeit des Brennstoffzellensystems 1 gefährdet.
  • Durch die hier offenbarte Technologie wird gegenüber den dem Stand der Technik bekannten Systemen nicht unmittelbar ein Fehler, sondern eine Minderperformance einer einzelnen Zelle 2 in der Speichereinheit 3 abgespeichert. Auch Brennstoffzellensysteme 1 mit 300 bis 400 Zellen 2 können durch die Verwendung der Speichereinheit 3 als Ringspeicher über der Zeit auf Minderperformance untersucht werden. Das mitunter hohe Datenaufkommen wird durch das hier offenbarte Verfahren begrenzt. Insbesondere können für den Fall, dass die Speichereinheit 3 lediglich mit hoch relevanten Daten gefüllt ist, Fehlerspeichereinträge außerhalb des Ringspeicherbereiches abgelegt werden, um nicht durch ggf. weniger dramatische/ interessante Werte überschrieben zu werden, bevor die betrachtete Zelle 2 repariert bzw. ausgetauscht worden ist.
  • 2 zeigt Schritte eines Ausführungsbeispiels eines hier offenbarten Verfahrens zur Protokollierung einer Leistungsfähigkeit eines Brennstoffzellensystems. In Schritt 100 wird ein jeweiliger Kennwert für eine Leistungsfähigkeit einer Vielzahl Zellen des Brennstoffzellensystems ermittelt. Hierzu kann eine jeweilige Zellspannungsmessung in Verbindung mit einem Ringspeicher für eine jeweilige Zelle angestrengt werden. In Schritt 200 wird der jeweilige Kennwert mit einem (jeweiligen) Normwert verglichen. In Schritt 300 wird der Kennwert in Abhängigkeit eines Ergebnisses des Vergleiches in einem nicht-flüchtigen Speicher abgespeichert. Das Ergebnis kann beispielsweise eine vordefinierte Mindestabweichung zwischen dem Kennwert und dem Normwert charakterisieren. Sofern ein derart drastisches Ergebnis des Vergleiches nicht vorliegt, kann in Schritt 400 der ggf. bereits in den Speicher geschriebene Kennwert verworfen werden. Mit anderen Worten wird der bereits in den nicht-flüchtigen Speicher geschriebene Kennwert gelöscht, sofern die betrachtete Zelle elektrisch/ elektrochemisch/chemisch unauffällig ist. In Schritt 500 wird eine Wartungs- und Reparaturaufforderung an einen Anwender des Brennstoffzellensystems ausgegeben und in Schritt 600 ein Fehlerspeichereintrag im Ansprechen auf ein vordefiniertes Ergebnis des Vergleiches in einen dauerhaften Speicher geschrieben, um die betrachtete Zelle zu identifizieren und ihre Minderperformance bzw. eine geeignete Maßnahme zu dokumentieren.
  • Durch die hier offenbarte Technologie wird eine mögliche Zelldegradation detektiert und unabhängig von der Fahrweise, dem Lastzyklus und anderen Umständen des Brennstoffzellensystems dokumentiert. Durch die Verwendung des Ringspeichers erfolgt eine Datenreduktion, da lediglich jeweils nur die Daten von einem Intervall betrachtet/zwischengespeichert werden müssen. Im übergeordneten nicht-flüchtigen Speicher können sich nur noch die Zellnummer und Abweichungen befinden, sodass schließlich als Fehlereintrag nur noch die Zellen erscheinen, die tatsächlich einen LPC-Status aufweisen. Auf diese Weise können Abschalter, Liegenbleiber, Totalausfälle und andere Folgefehler einer Minderperformance verhindert werden. Beispielsweise können ein Hinweis auf die fehlerhafte Zelle oder eine dauerhafte/temporäre Lastreduktion bis zur Erreichung einer autorisierten Servicewerkstatt veranlasst werden. Ggf. kann eine Selbstheilung der verwendeten Zellen durch eine temporäre Lastreduktion eingeleitet werden, bis keine der verwendeten Zellen mehr den LPC-Status besitzt. Somit sind keine künstlich erzeugten Diagnosezyklen im Kundenbetrieb mehr nötig, welche die Akzeptanz alternativer Antriebsformen negativ beeinflussen könnten. Ein Vergleich von Zellperformance-Kennwerten kann über den kompletten Betriebsbereich erfolgen, ohne einzelne Referenzlasten bzw. Betriebsbedingungen hierbei auszugrenzen. Durch die hier offenbarte Technologie wird eine Art „Lebenslauf der schwachen Zellen“ erstellt und diagnosefähig bereit gehalten, welcher Auskunft darüber gibt, welche Zelle wann als LPC gekennzeichnet wurde sowie ob sich die Zelle seit der Kennzeichnung verschlechtert hat oder auf gleichem Niveau geblieben ist.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Brennstoffzellensystem
    2
    Zelle
    3
    Speichereinheit mit Ringspeicher
    4
    elektronisches Steuergerät (Auswerteeinheit)
    5
    Vorrichtung
    10
    Pkw
    100 - 600
    Verfahrensschritte

Claims (13)

  1. Verfahren zur Protokollierung einer Leistungsfähigkeit eines Brennstoffzellensystems (1) umfassend die Schritte - Zwischenspeichern von Zelldaten in einem Ringspeicher und Ermitteln (100) eines jeweiligen Kennwertes für eine Leistungsfähigkeit einer Vielzahl Zellen (2) des Brennstoffzellensystems (1), - Vergleichen (200) des Kennwertes mit einem Normwert, - Abspeichern (300) des Kennwertes in Abhängigkeit eines Ergebnisses des Vergleiches in einer Speichereinheit (3) mit dem Ringspeicher und/oder - Verwerfen (400) des Kennwertes in Abhängigkeit eines Ergebnisses des Vergleiches.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Kennwert zunächst in dem Ringspeicher zwischengespeichert wird und anschließend das Vergleichen des Kennwertes mit dem Normwert erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Ermitteln des Kennwertes - für sämtliche Zellen (2) des Brennstoffzellensystems (1) und/oder - in regelmäßigen zeitlichen Abständen erfolgt.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Normwert eine Durchschnittsspannung repräsentiert, welche über die Zellen (2) des Brennstoffzellensystems (1) gemittelt wurde.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Normwert eine Spannungsabweichung der betrachteten Zelle (2) zu einem vordefinierten früheren Zeitpunkt repräsentiert.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Normwert und/oder der Kennwert in Abhängigkeit eines während ihrer Ermittlung bestehenden Lastzustandes des Brennstoffzellensystems (1) ermittelt und/oder verglichen werden.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Ermittlung der Kennwerte für sämtliche Zellen (2) des Brennstoffzellensystems (1) zeitgleich erfolgt.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Vergleich erst erfolgt, wenn eine vordefinierte Anzahl Kennwerte ermittelt ist, welche insbesondere der Anzahl sämtlicher Zellen (2) des Brennstoffzellensystems (1) entspricht.
  9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Abspeichern des Kennwertes im Ansprechen auf die Erkenntnis erfolgt, dass eine vordefinierte Anzahl Zellen (2) des Brennstoffzellensystems (1) eine höhere Leistungsfähigkeit aufweist, als die betrachtete Zelle (2).
  10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche weiter umfassend - Ausgeben (500) einer Wartungs- und/oder Reparaturaufforderung an einen Anwender und/oder - Schreiben (600) eines Fehlerspeichereintrages im Ansprechen auf ein vordefiniertes Ergebnis des Vergleiches.
  11. Vorrichtung zur Protokollierung einer Leistungsfähigkeit eines Brennstoffzellensystems (1) umfassend - eine Auswerteeinheit (4) und - einer Speichereinheit (3) mit Ringspeicher, wobei - die Auswerteeinheit (4) eingerichtet ist, - einen jeweiligen Kennwert für eine Leistungsfähigkeit einer Vielzahl Zellen (2) des Brennstoffzellensystems (1) zu ermitteln, - den Kennwert mit einem Normwert zu vergleichen, - den Kennwert in Abhängigkeit eines Ergebnisses des Vergleiches in der Speichereinheit (3) abzuspeichern und/oder - den Kennwert in Abhängigkeit eines Ergebnisses des Vergleiches zu verwerfen.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, welche eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 10 auszuführen.
  13. Fortbewegungsmittel (10) umfassend eine Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 11 oder 12.
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WO2024052115A1 (de) * 2022-09-07 2024-03-14 Zf Cv Systems Global Gmbh Verfahren zur komponentenüberwachung für ein fahrzeug, insbesondere nutzfahrzeug, computerprogramm und/oder computerlesbares medium, steuergerät und fahrzeug, insbesondere nutzfahrzeug

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