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EINLEITUNG
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Ein Brennstoffzellenstapel ist eine elektrochemische Vorrichtung, die in der Lage ist, Elektrizität aus einer gepaarten Oxidations/Reduktionsreaktion zu erzeugen, die in einem Stapel identisch konfigurierter Brennstoffzellen auftritt. Jede Brennstoffzelle enthält einen Elektrolyten, der dazu dient, geladene Teilchen zwischen entgegengesetzt geladenen Elektroden zu transportieren. Ein platinbasierter oder ein anderer geeigneter Katalysator beschleunigt den katalytischen Prozess an den Elektroden. Wasserstoff und Sauerstoff sind die Grundbrennstoffe der Oxidations/Reduktionsreaktion, die die Bildung von Wasser als inertes Nebenprodukt der Reaktion ermöglicht. Infolgedessen können Brennstoffzellen als eine alternative Quelle sauberer Energie in Fahrzeugantriebssystemen, Kraftwerken und anderen mobilen oder stationären Systemen verwendet werden.
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In einem Brennstoffzellensystem ist der Stapelhochfahrvorgang als die verstrichene Zeitspanne zwischen der Einleitung der gepaarten Oxidations/Reduktionsreaktion und einem späteren Zeitpunkt, zu dem der Stapel letztendlich eine stabile Ausgangsspannung erreicht, definiert. Das Brennstoffzellensystem beginnt somit nach Beendigung des Hochfahrvorgangs mit der Ausgabe von nutzbaren Leistungspegeln. Bestimmte Probleme können verhindern, dass ein gegebenes Brennstoffzellensystem ein erfolgreiches Hochfahren erfährt, wie etwa ein „Luftstart“-Ereignis oder eine plötzliche Erhöhung der Zellenspannung. Ein Luftstartereignis tritt auf, wenn vernachlässigbare Wasserstoffpegel in der Stapelanode nach einer verlängerten Aus-Zeitperiode verbleiben, z. B. wenn ein Brennstoffzellenfahrzeug über ein Wochenende in einem ausgeschalteten Zustand verbleibt. Ein Luftstart kann zu einem negativen Anodenpotential und möglicherweise zu einer Verschlechterung des Stapels führen. Spannungsspitzen bei Werten über 900 mV können zur Oxidation und Korrosion des Katalysators führen, was wiederum die verfügbare Oberfläche des Katalysators verringern und die Effizienz der Brennstoffzelle beeinträchtigen kann.
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KURZDARSTELLUNG
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Hierin ist ein Steuerungsverfahren zum Steuern der Ausgangsspannung eines Brennstoffzellenstapels, d. h., einer Stapelspannung, während eines Stapelhochfahrvorganges gemäß vorbestimmten Spannungsprofilen offenbart, wobei jedes Profil eine entsprechende Größe und Änderungsrate aufweist. Das Verfahren umfasst die Verwendung eines Gleichstrom-Gleichstrom-Aufwärtswandlers (DC/DC-Aufwärtswandlers), um die Stapelspannung auf die vorbestimmten Spannungsprofile zu steuern, sodass ein negatives Potenzial der Stapelanode weitgehend verhindert und das Auftreten einer Katalysatoroxidation verringert wird.
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Ein Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen und einer Stapelspannung und ebenfalls einen DC/DC-Aufwärtswandler sowie eine Steuerung. Die Steuerung ist konfiguriert, um die Stapelspannung während des Hochfahrens des Brennstoffzellenstapels über den DC/DC-Aufwärtswandler zu regeln und ist mit kalibrierten Spannungsprofilen programmiert, die jeweils eine entsprechende Größe und Änderungsrate aufweisen. Die Steuerung ist auch konfiguriert, um einen Luftstart des Brennstoffzellenstapels in Reaktion auf ein angefordertes Hochfahren des Brennstoffzellenstapels zu erfassen. Als Reaktion auf den erfassten Luftstart erzwingt die Steuerung vorgegebene Spannungsprofile während eines tatsächlichen Hochfahrens des Brennstoffzellenstapels über eine Regelung des Aufwärtswandlers der Stapelspannung, wobei dieser kalibrierten Spannungsprofilen folgt.
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Die kalibrierten Spannungsprofile umfassen ein erstes Spannungsprofil, das einer Anodendruckbeaufschlagungsstufe entspricht, und ein zweites Spannungsprofil, das einer Kathodenfüllstufe entspricht, wobei das zweite Spannungsprofil eine Änderungsrate aufweist, die kleiner als die des ersten Spannungsprofils ist.
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Die Steuerung ist so programmiert, dass diese den Luftstart des Brennstoffzellenstapels unter Verwendung einer Ausgabe eines Gaskonzentrationsschätz (GCE - Gas Concentration Estimation)-Modells erfasst. Die Ausgabe des GCE-Modells in dieser Ausführungsform kann ein geschätzter Sauerstoffpegel in einer Anodenplatte des Brennstoffzellenstapels sein. Die Steuerung kann als einen Satz von Eingaben jeweils eine Auszeit, eine Temperatur und einen Druckwert des Brennstoffzellenstapels empfangen, wobei die Ausgabe des GCE-Modells als eine Funktion des Satzes von Eingaben bestimmt wird.
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Der DC/DC-Aufwärtswandler kann einen Halbleiterschalter und eine Gate-Ansteuerschaltung umfassen, wobei die Steuerung die Spannungsprofile durch Steuern einer Einschaltdauer des Halbleiterschalters über die Gate-Ansteuerschaltung während eines Spannungswiederherstellungsbetriebsmodus anlegt oder erzwingt.
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Die Steuerung kann einen Mikroprozessor enthalten, der Teil des DC/DC-Aufwärtswandlers ist und der die Einschaltdauer des Halbleiterschalters während des Spannungswiederherstellungsbetriebsmodus steuert. Die Steuerung ist so konfiguriert, dass dieser die Spannungsprofile nach Abschluss des Hochfahrens erzwingt, indem dieser den DC/DC-Aufwärtswandler in einem Stromsteuermodus steuert.
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Das Brennstoffzellensystem kann einen Hochspannungsakku, ein elektrisch mit dem Akku verbundenes Wechselrichtermodul, eine Achse und einen Elektromotor umfassen, die zum Ausgeben eines Drehmoments an die Achse betreibbar ist. Ein Straßenrad kann in einer nicht einschränkenden Ausführungsform des Kraftfahrzeugs drehbar mit der Achse verbunden sein.
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Ein Fahrzeug umfasst den Brennstoffzellenstapel und den DC/DC-Aufwärtswandler, einen mit dem Brennstoffzellensystem verbundener Akkusatz mit einer Ausgangsgleichspannung, ein mit dem Akkusatz elektrisch verbundenes Wechselrichtermodul (PIM - Power Inverter Module), das zum Umwandeln der Ausgangsgleichspannung in eine Wechselspannung konfiguriert ist, einen Elektromotor, der elektrisch mit dem PIM verbunden ist und über die Wechselspannung erregt wird, um ein Ausgangsdrehmoment zu erzeugen, ein Antriebsrad, das mit dem Elektromotor verbunden ist und über das Ausgangsdrehmoment angetrieben wird, um das Fahrzeug anzutreiben sowie eine Steuerung.
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Die Steuerung ist so konfiguriert, um ein Verfahren auszuführen, das ein Erfassen eines Luftstarts des Brennstoffzellenstapels in Reaktion auf ein angefordertes Hochfahren des Brennstoffzellenstapels umfasst, wobei die Steuerung mit kalibrierten Spannungsprofilen programmiert ist, die jeweils eine entsprechende Größe und Änderungsrate aufweisen. Das Verfahren umfasst auch das Erzwingen eines vorbestimmten Spannungsprofils der Stapelspannung in Reaktion auf den erfassten Luftstart während eines tatsächlichen Hochfahrens des Brennstoffzellenstapels einschließlich des Regelbetriebs des DC/DC-Aufwärtswandlers unter Verwendung der mehreren kalibrierten Spannungsprofile. Die kalibrierten Spannungsprofile umfassen in einer Ausführungsform ein erstes Spannungsprofil, das einer Anodendruckbeaufschlagungsstufe entspricht, und ein zweites Spannungsprofil, das einer Kathodenfüllstufe entspricht, wobei das zweite Spannungsprofil eine Änderungsrate aufweist, die kleiner als die des ersten Spannungsprofils ist.
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Die vorstehende Kurzdarstellung soll nicht jede Ausführungsform oder jeden Aspekt der vorliegenden Offenbarung repräsentieren. Vielmehr veranschaulicht die vorstehende Kurzdarstellung lediglich einige der neuartigen Aspekte und Merkmale, wie hierin dargelegt. Die vorstehend aufgeführten Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der dargestellten Ausführungsformen und der repräsentativen Arten zum Ausführen der vorliegenden Offenbarung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen leicht ersichtlich. Darüber hinaus beinhaltet die vorliegende Offenbarung ausdrücklich alle Kombinationen und Teilkombinationen der vorangehenden Elemente und Merkmale, die vorstehend und nachfolgend dargestellt sind.
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Figurenliste
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- 1 ist ein schematisches Diagramm eines exemplarischen Fahrzeugs mit einem Brennstoffzellenstapel und einer Steuerung, die konfiguriert ist, um eine Ausgangsspannung des Stapels, d. h., eine Stapelspannung, zu vorbestimmten Spannungsprofilen während eines Stapelhochfahrvorganges zu steuern.
- 2A und 2B sind jeweils repräsentative Spannungsprofile für einen Wasserstoffstart bzw. einen Luftstart.
- 3 ist ein Flussdiagramm, das ein exemplarisches Verfahren zum Steuern der Stapelspannung des Brennstoffzellensystems von 1 während des Hochfahrens unter Verwendung vorbestimmter Spannungsprofile beschreibt.
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Für die vorliegende Offenbarung können verschiedene Modifikationen und alternative Formen zur Anwendung kommen und einige exemplarische Ausführungsformen werden hierin anhand der Zeichnungen in Form von Detailbeispielen dargestellt. Es versteht sich allerdings, dass die neuartigen Aspekte dieser Offenbarung nicht auf die in den hinzugefügten Zeichnungen dargestellten besonderen Formen beschränkt sind. Vielmehr umfasst diese Offenbarung alle Modifikationen, Entsprechungen, Kombinationen, Teilkombinationen Permutationen, Gruppierungen und Alternativen, die dem Erfindungsgedanken und dem Umfang der Offenbarung entsprechen, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert sind.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, worin sich in den mehreren Ansichten gleiche Bezugszeichen auf gleiche Merkmale beziehen, ist ein exemplarisches Brennstoffzellensystem 12 schematisch in 1 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 12 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 14, der zur Verwendung als eine Gleichstrom-Spannungsversorgung in einem Fahrzeug 10, beispielsweise einem Kraftfahrzeug, wie gezeigt, oder einem Boot oder einem anderen Seefahrzeug, einem Weltraumfahrzeug, einem Roboter, oder anderen mobile Plattformen angepasst werden kann. Alternativ kann der Brennstoffzellenstapel 14 als eine Energieversorgung als Teil eines stationären Kraftwerks (nicht gezeigt) oder in anderen Systemen, die an Bord eine Erzeugung von Gleichstrom erfordern, verwendet werden. Zur Veranschaulichung wird der Brennstoffzellenstapel 14 von 1 im Folgenden im Zusammenhang mit einer Antriebsfunktion an Bord des Fahrzeugs 10 beschrieben, ohne den Brennstoffzellenstapel 14 auf solche Anwendungen zu beschränken.
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Der Brennstoffzellenstapel 14 umfasst eine Vielzahl von Brennstoffzellen 15, die zwischen jeweiligen Anoden- und Kathodenplatten 14A und 14C angeordnet sind. Während die spezielle Form des Brennstoffzellenstapels 14 und seine konstituierenden Brennstoffzellen 15 mit der beabsichtigten Anwendung des Brennstoffzellensystems 12 variieren können, kann gemäß einer exemplarischen Ausführungsform jede der Brennstoffzellen 15 eine Polymerelektrolytmembran/Protonenaustauschmembran (PEM)-Brennstoffzelle sein, die eine relativ hohe Leistungsdichte bei geringem Gewicht und Volumen liefert. Brennstoffzellen von dem PEM-Typ verwenden einen Katalysator in Form von Platin oder einer Platinlegierung und ein Festelektrolytpolymermaterial (nicht dargestellt). Die Brennstoffzellen 15 arbeiten, wenn diese als PEM-Brennstoffzellen konfiguriert sind, unter Verwendung einer Zufuhr von gasförmigem Wasserstoff (Pfeil H2) aus einem Wasserstoffspeichertank 18 und Sauerstoff (Pfeil O2), wobei der Sauerstoff (Pfeil O2) typischerweise über einen Kompressor 16 aus Umgebungsluft zugeführt wird (Pfeil A).
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In dem exemplarischen Brennstoffzellensystem 12 von 1 ist eine Stapelumgehungsleitung 19 um den Brennstoffzellenstapel 14 herumgeführt. Ein Umgehungsventil 17, das innerhalb der Umgehungsleitung 19 angeordnet ist, hat eine variable offene/geschlossene Position, die automatisch eingestellt werden kann, z. B. über eine Steuerung 50B. Die Steuerung des Umgehungsventils 17 ermöglicht der Steuerung 50B, den Betrieb des Brennstoffzellenstapels 14 beispielsweise über ein Luftsteuersignal (Pfeil CCA) zu regulieren, indem eine Menge Sauerstoff (Pfeil O2) eingestellt wird, der durch den Brennstoffzellenstapel fließt oder diesen umgeht 14. Sauerstoffhaltige Luft, die vom Umgehungsventil 17 abgegeben wird, kehrt schließlich zu dem Kathodenauslass zurück (Pfeil CEX), wird von der Kathodenplatte 14C ausgestoßen, bevor diese aus dem Brennstoffzellenstapel 14 entlüftet wird. Anodenabgas (Pfeil AEX) wird in ähnlicher Weise von der Anodenplatte 14A entlüftet. Die Steuerung 50B kann alternativ den Betrieb des Brennstoffzellenstapels 14 über ein elektrisches Steuersignal (Pfeil CCE) regeln, d. h., über eine Spannungs- oder Stromsteuerung des DC/DC-Aufwärtswandlers 30, wie nachstehend angegeben.
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Das Brennstoffzellensystem 12 von 1 beinhaltet ferner eine Spannungsüberwachungsschaltung (VMC) 20. Die VMC 20 kann konfiguriert sein, um einen Spannungspegel des Brennstoffzellenstapels 14 zu überwachen, der im Folgenden als eine Stapelspannung bezeichnet wird, um minimale und maximale Zellenspannungen der einzelnen Brennstoffzellen 15 zu messen und um eine durchschnittliche Zellenspannung zu berechnen. Solche kollektiven Spannungssteuerwerte (Pfeil VC) können von der Steuerung 50B verwendet werden, um den Betrieb des Brennstoffzellenstapels 14 in Reaktion auf sich ändernde Leistungsanforderungen zu steuern, wie zum Beispiel eine erhöhte Fahrerdrosselanforderung in der veranschaulichten Ausführungsform des Fahrzeugantriebs.
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Das exemplarische Fahrzeug 10 umfasst einen DC/DC-Aufwärtswandler 30, der zwischen dem Brennstoffzellensystem 12 und einem Hochspannungssystem (HV-System - High-Voltage System) 40 angeordnet ist, wobei das Letztere einen Akku 31 umfasst. Der in der Ausführungsform von 1 dargestellte Aufwärtswandler 30 umfasst einen Halbleiterschalter Q1 und eine Diode (D2), wobei die Erstgenannte hier als Beispiel für einen Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) dargestellt wird. Der Halbleiterschalter Q1 hat einen Ein/Aus-Zustand, der über eine Gate-Ansteuerschaltung (GD - Gate Drive) 26 unter Verwendung eines Gate-Ansteuersignals (Pfeil CCG) von einer anderen Steuerung 50A oder von der Steuerung 50B in einer Ausführungsform mit einer Einzelsteuerung gesteuert wird. Eine Größe und Richtung/Zeichen eines Stapelstroms (Pfeil IS) von dem Brennstoffzellenstapel 14 kann durch einen Stromsensor (SC) gemessen und an die Steuerung 50A übermittelt werden, wo die gemessene Größe und Richtung des Stapelstroms (Pfeil IS) verwendet wird, um den Ein/Aus-Zustand des Halbleiterschalters Q1 zu steuern.
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Die beabsichtigte Funktion des Aufwärtswandlers 30 von 1 ist es, eine Eingangsspannung, hier eine Stapelspannung (VS), auf einen höheren oder „verstärkten“ Ausgangsspannungspegel (VBO) zu erhöhen. Der Spannungsverstärkungsbetrieb kann über eine Pulsbreitenmodulation oder eine andere Schaltsteuerung des Halbleiterschalters Q1 erreicht werden, wie in der Technik bekannt ist. Während einer Zeitdauer, in der der Halbleiterschalter Q1 eingeschaltet und somit leitend ist, fließt der Stapelstrom (Pfeil IS) zu einem Induktor L1 mit primären (1) und sekundären (2) Wicklungen über den Halbleiterschalter Q1 und zurück in den Brennstoffzellenstapel 14. Energie wird in dem Induktor L1 gespeichert, während die Spannung über den Induktor L1 ansteigt. Eine Diode (D1) und ein Kondensator (C1) können wie gezeigt stromabwärts von dem Induktor L1 angeordnet sein, wobei der Kondensator C1 parallel zu dem HV-System 40 angeordnet ist.
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Wenn der Halbleiterschalter Q1 von der Steuerung 50A einen Abschaltbefehl erhalten hat, bewirkt die in dem Induktor L1 gespeicherte Energie, dass der Stapelstrom (Pfeil IS) zu einer Ausgangslast fließt, die in der bestimmten Ausführungsform von 1 das HV-System 40 ist. Die Spannung an dem Ausgang des Aufwärtswandlers 30 (VBO), die das elektrische Potential über den Kondensator C1 bildet, ist die Summe der Stapelspannung (VS) und einer Spannung über dem Induktor L1. Ein Aus/Ein-Zyklus des Halbleiterschalters Q1 tritt zyklisch auf, wobei die Gesamtzykluszeit als Summe der Aus- und Einschaltzeiten definiert ist. Die Einschaltdauer des Halbleiterschalters Q1 kann daher als TON/TSWITCH definiert werden, wobei TON die Einschaltzeit des Schalters Q1 und TSWITCH die gesamte Zykluszeit ist.
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Wie in dem in 1 dargestellten exemplarischen Brennzellensystem 12, können die Steuerungen 50A und die Steuerung 50B, die separate aufgabenspezifische mikroprozessorbasierte Vorrichtungen wie gezeigt oder eine einzelne Vorrichtung sein können, mit Anweisungen programmiert werden, die das vorliegende Verfahren 100 verkörpern. Das Verfahren 100 wird verwendet, um einen Luftstart von einem Wasserstoffstart unter Verwendung unterschiedlicher kalibrierter Spannungsprofile zu unterscheiden, z. B. basierend auf der Ausgabe eines Gaskonzentrationsschätzmodells 55, und um den Aufwärtswandler 30 zu verwenden, um das Brennstoffzellensystem 12 auf Spannungsprofile während eines Hochfahrens des Brennstoffzellenstapels 14 zu steuern. Während des normalen Betriebs steuern die Steuerungen 50A, 50B die Einschaltdauer des Halbleiterschalters Q1 als eine Funktion des Stapelstroms (Pfeil IS). Während der Ausführung des Verfahrens 100 von 3 gehen die Steuerungen 50A, 50B zur Steuerung der Einschaltdauer des Halbleiterschalters Q1 als eine Funktion der Stapelspannung (VS) über, insbesondere während eines Spannungswiederherstellungsmodus, um die verstärkte Ausgangsspannung (VBO) genau zu regeln.
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Immer noch bezugnehmend auf 1, wenn das Brennstoffzellensystem 12 von 1 eine Vorrichtung einen mehrphasigen Elektromotor (ME - Electric Machine) 34 speist, kann die Größe der Wechselspannung (VAC) des Elektromotors 34 die der verfügbaren Ausgangsgleichspannung (VDC) des Brennstoffzellenstapels 14 übersteigen. Der Aufwärtswandler 30 wirkt somit dahingehend, dass der dem Elektromotor 34 zugeführte Spannungspegel erhöht wird. Zusätzlich kann ein Wechselrichtermodul (Power Inverter Module - PIM) 32 elektrisch mit dem HV-System 40 verbunden sein und verwendet werden, um eine Gleichspannung an einem DC-Hochspannungsbus 33 in einen Wechselspannungspegel umzuwandeln, der zum Erregen einzelner Phasenwicklungen 35 des Elektromotors 34, z. B. eines Traktionsmotors, der zum Antreiben des Fahrzeugs 10 dient, geeignet ist. Das Ausgangsdrehmoment (Pfeil TO) des Elektromotors 34 kann für ein Ausgangselement 36 bereitgestellt werden, um Arbeit an Bord des Fahrzeugs 10 auszuführen, wie zum Beispiel das Drehen eines Satzes von Straßenrädern 39, von denen der Einfachheit halber nur eines dargestellt ist, um das Fahrzeug 10 anzutreiben, wenn das Fahrzeug 10 optional als ein Kraftfahrzeug ausgebildet ist.
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Obwohl der Einfachheit halber weggelassen, kann als Teil des Brennstoffzellensystems 12 von 1 ein geöffneter/geschlossener Satz von Schaltern oder Schaltvorrichtungen 21 über die Steuerung 50A oder 50B gesteuert werden, um den Brennstoffzellenstapel 14 von dem Rest des Brennstoffzellensystems 12 elektrisch zu trennen, beispielsweise wenn das Fahrzeug 10 nicht läuft oder während eines möglichen elektrischen Hochspannungsfehlers. Zusätzlich und ebenfalls zur Vereinfachung der Darstellung weggelassen, kann Hilfsenergie mit niedrigerer Spannung über ein Hilfsleistungsmodul, wie etwa einen DC/DC-Abwärtswandler, der verwendet werden kann, um Spannungspegel auf dem Hochspannungsbus 33 zu reduzieren und auf Spannungspegel abzusenken, die zur Speicherung in dem Zusatzakku geeignet sind, z. B. 12-15 VDC, für einen Zusatzakku bereitgestellt werden.
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Bezugnehmend auf 2A ist ein Wasserstoffstart des Brennstoffzellenstapels 14 hierin als ein Hochfahrereignis definiert, bei dem eine Anfangskonzentration von Sauerstoff in der Stapelanode 14A von 1 bei oder nahe Null ist, wobei eine anfängliche Wasserstoffkonzentration Null übersteigt. Während eines Wasserstoffstarts sollten keine signifikanten Änderungen in der Stapel spannung (VS) während der Anodendruckbeaufschlagungsphase des Stapelhochfahrens auftreten. Das Einführen von Luft (Pfeil A) in die Kathodenplatte 14C von 1 bewirkt einen Anstieg der Stapelspannung (VS). Ein maximaler Spannungspegel (V1), den der Brennstoffzellenstapel 14 erreichen darf, ist begrenzt, um die Spannungsverschlechterung zu minimieren. Der maximal zulässige Spannungspegel (V1) ist ähnlich dem Maximal-/Laufzeit-Spannungsunterdrückungspegel (VMAX) des Stapels 14, kann aber auf einen geringfügig niedrigeren Pegel eingestellt werden.
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Das Wasserstoff-Hochfahrprofil für einen gegebenen Wasserstoffstart beginnt bei oder nahe bei 0 VDC. Es wird erwartet, dass die Steuerung 50B den Stapel 14 für eine relativ kurze Dauer in der Nähe von 0 VDC bis zur maximal zulässigen Spannung (V1) betreiben kann, wenn Luft (Pfeil A) von der Kathodenplatte 14C von 1 eintritt. Sobald die Stapelspannung (VS) den Pegel von V1 erreicht, ist es anschließend möglich, den Pegel von VMAX mit einer langsameren Rate zu erreichen.
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2B zeigt ein generisches Profil für einen Luftstart. Ein Luftstart beginnt mit einer nicht vernachlässigbaren Sauerstoffkonzentration in der Anodenplatte 14A von 1. In dieser Situation steigt die Stapelspannung (VS) während der Anodendruckbeaufschlagung des Hochfahrens schnell an und erfordert eine niedrigere Stapelspannungsgrenze (V1) und einen höheren Stapelstrom, um die potentielle Spannungsverschlechterung, die hauptsächlich auf die Kathodenkohlenstoffkorrosion zurückzuführen ist, angemessen zu mindern. Die Dauer des Korrosionsereignisses ist äquivalent zu der Zeit, die benötigt wird, damit Wasserstoffgas ein anfängliches Gasvolumen des Brennstoffzellenstapels 14, typischerweise zwischen 100 und 500 ms, vollständig füllt und verschiebt. Nachdem die Anodendruckbeaufschlagungsstufe abgeschlossen ist, wird die Stapelspannung (VS) die Wasserstoffstartspannungsgrenze (V2) verstärken. Das exemplarische Hochfahrereignis von 2B wird in ähnlicher Weise enden wie das Wasserstoffstartereignis.
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3 zeigt eine exemplarische Ausführungsform des oben angeführten Verfahrens 100. Aspekte des Verfahrens 100 können durch computerausführbare Anweisungen implementiert werden, d. h. Softwareanwendungen oder Anwendungsprogramme, die von der Steuerung 50A und/oder 50B ausgeführt werden. Die Software kann in einer Vielzahl von Speichern (M) der Steuerung 50A und/oder 50B gespeichert sein, einschließlich computerlesbarer Daten wie CD-ROM, Magnetplatte, Blasenspeicher und Halbleiterspeicher, wie z. B. verschiedene Arten von RAM oder ROM. Darüber hinaus können Aspekte des Verfahrens 100 in verteilten Rechnerumgebungen praktiziert werden, in denen Aufgaben durch Fernverarbeitungsvorrichtungen ausgeführt werden, die über ein Kommunikationsnetzwerk verbunden sind, z. B. einen CAN (Controller Area Network)-Bus (nicht gezeigt). Obwohl unter Bezugnahme auf 3 ein spezifischer Algorithmus beschrieben wird, können andere Verfahren zum Implementieren der exemplarischen maschinenlesbaren Anweisungen innerhalb des Schutzumfangs der Offenbarung verwendet werden.
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Im Allgemeinen betreiben die Steuerungen 50A und 50B unter Verwendung des Verfahrens 100 den DC/DC-Aufwärtswandler 30 von 1 in einem regulären Stromsteuermodus durch die ersten mehreren Stufen des Hochfahrens, d. h., Stapelentladung, Niederspannungsleistungsbegrenzung und Hilfsenergieverwaltung. Basierend auf einer Entscheidung des Gaskonzentrationsschätzmodells (GCE-Modell) 55 wird eine Entscheidung getroffen, ob das vorliegende Startereignis ein Luftstart oder ein Wasserstoffstart ist. Bei einem Wasserstoffstart enthält die Spannungsprofilinformation von dem GCE-Modell 55 einen Spannungssollwert und eine Spannungsanstiegsrate. Wenn das Startereignis ein Luftstart ist, umfasst das Spannungsprofil von dem GCE-Modell 55 drei Segmente mit jeweils unterschiedlichen Spannungssollwerten und Anstiegsraten. Der DC/DC-Aufwärtswandler 30 kann angewiesen werden, während der Stufen der Anodendruckbeaufschlagung, der Kathodenfüllung und der Spannungsstabilisierung in einem Spannungssteuerungsmodus zu arbeiten, und kehrt dann zu der regulären/Stromsteuerungsbetriebsart zurück, wenn die letzte Stufe, Spannungsstabilisierung, vollständig ist.
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Im Allgemeinen umfasst das Verfahren 100 das Feststellen eines Luftstarts des Brennstoffzellenstapels 14 über die Steuerung 50B in Reaktion auf ein angefordertes Hochfahren des Brennstoffzellenstapels 14, wobei die Steuerung 50B mit einer Vielzahl von kalibrierten Spannungsprofilen programmiert ist, die jeweils eine entsprechende Größe und Änderungsrate aufweisen. Dann umfasst das Verfahren 100 in Reaktion auf den erfassten Luftstart das Erzwingen eines vorbestimmten Spannungsprofils der Stapelspannung während eines tatsächlichen Hochfahrens des Brennstoffzellenstapels 14, einschließlich des Regelbetriebs des DC/DC-Aufwärtswandlers 30 unter Verwendung der kalibrierten Spannungsprofile.
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In einer exemplarischen Ausführungsform, die mit dem Schritt S102 beginnt, wacht die Steuerung 50B auf Anforderung für das Hochfahren des Brennstoffzellensystems 12 von 1, z. B. ein angeforderter zündungsbasierter Start des in 1 gezeigten Fahrzeugs 10, auf und beginnt mit dem Brennstoffzellensystem 12 zu kommunizieren. Das Verfahren 100 geht dann zu Schritt S104 über.
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Schritt S104 umfasst die Steuerung des Aufwärtswandlers 30 von 1 in einem regulären/Stromsteuermodus durch den Betrieb der Steuerung 50A. Wie dies in der Technik bekannt ist, verläuft der Betrieb eines Brennstoffzellenstapels, wie zum Beispiel des Stapels 14 von 1 gemäß mehreren Stufen: Stapelentladung, Niederspannungsleistungsbegrenzung, Hilfsenergieverwaltung, Anodendruckbeaufschlagung, Kathodenfüllung und Spannungsstabilisierung. Schritt S104 umfasst das Steuern der Stapelentladung, die Niederspannungsleistungsbeschränkung und Hilfsenergieverwaltungsstufen, indem der Aufwärtswandler 30 angewiesen wird, in einem Standardmodus zu arbeiten, d. h., in einem Stromsteuermodus, in dem die Einschaltdauer zu dem Halbleiterschalter (Pfeil S1) von 1 als eine Funktion des durch den Sensor (SC) gemessenen Stapelstroms (Pfeil IS) bestimmt wird. Das Verfahren 100 geht dann zu Schritt S106 über.
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Schritt S106 kann das Bestimmen umfassen, ob ein Luftstartereignis vorliegt. Zum Beispiel kann das GCE-Modell 55, das oben unter Bezugnahme auf 1 erwähnt wurde, verwendet werden, um abzuschätzen, ob Sauerstoff (Pfeil O2) in der Anodenplatte 14A verbleibt. In einer exemplarischen Ausführungsform kann das GCE-Modell 55 eine Auszeit, Temperatur der Umgebung und/oder des Brennstoffzellenstapels 14, Drücke des Sauerstoffs und Wasserstoffs innerhalb des Brennstoffzellenstapels 14 und bekannte Eigenschaften des Brennstoffzellenstapels 14 wie z. B. Größe, Materialien und dergleichen berücksichtigen, wobei die Steuerung 50B ein geschätztes Sauerstoffniveau ausgibt. Sobald die Steuerung 50B feststellt, dass Sauerstoff in der Anodenplatte 14A vorhanden ist, kann die Steuerung 50 registrieren, dass ein Luftstart aktiv ist. Das Verfahren 100 fährt mit Schritt S107 fort, wenn ein Luftstart erfasst wird. Ansonsten bestimmt die Steuerung 50B, dass ein Wasserstoffstart aktiv ist, und fährt stattdessen mit Schritt S108 fort. In jedem Fall schaltet die Steuerung 50B automatisch den Betriebsmodus des Aufwärtswandlers 30 von der Stromsteuerung in die Spannungssteuerung um, sodass die Einschaltdauer des Aufwärtswandlers 30 als eine Funktion des Stapelstroms (VS) gesteuert wird.
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Schritte S107, S109 und S111 umfassen das Steuern der Anodendruckbeaufschlagungs-, Kathodenfüll- und Spannungsstabilisierungsstufen über die Steuerung 50A und den Aufwärtswandler 30 in einer Weise, die geeignet ist, den Einfluss des erfassten Luftstarts zu minimieren und dann den Vorgang mit Schritt S114 fortzusetzen. In ähnlicher Weise werden die Schritte S108, S110 und S112 ausgeführt, bevor mit Schritt S114 fortgefahren wird, und umfassen das Steuern der Anodendruckbeaufschlagung-, Kathodenfüll- und Spannungsstabilisierungszustände in einer Weise, die für den Wasserstoffstart geeignet ist. Die Betriebsunterschiede können durch Vergleichen der Trajektorien der 2A und 2B gesehen werden.
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Wenn ein Wasserstoffstart gesteuert wird, wie in 2A dargestellt, beginnt der Wasserstoffstart bei oder nahe bei 0 VDC bei t0. Wenn Luft in den Brennstoffzellenstapel 14 von 1 von der Kathodenplatte 14C aus eindringt, wird zugelassen, dass die Stapel spannung (VS) mit einer schnelleren Rate zwischen t1 und t2 auf den Pegel von (V1) ansteigt. Sobald die Stapelspannung (VS) den Pegel von (V1) erreicht hat, wird dann zugelassen, dass diese graduell VMAX mit einer verringerten Rate zwischen t2 und t3 erreicht.
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Wenn ein Luftstart gesteuert wird, wie in 2B dargestellt, steuert die Steuerung 50B den Aufwärtswandler 30 so, dass mehrere unterschiedliche Spannungssteigerungsraten, d. h., K1, K2 und K3, erreicht werden. Schritt S107 steuert die Anodendruckbeaufschlagung mit dem Spannungsanstieg auf den Spannungspegel V1 mit einer ersten Rate (K1) zwischen t 0 und t 1. Dann steuert Schritt S109 die Kathodenfüllstufe auf einen höheren Spannungspegel V2 bei zweiten und dritten Raten (K2 und K3), wobei die zweite Rate (K2), wie in 2 gezeigt, kleiner als die erste Rate (K1) ist. Bei Erreichen des höheren Spannungspegels (V2) kann die Steuerung 50B die Stapelspannung (VS) langsam verringern, bis die maximale Spannung (VMAX) erreicht ist. Anschließend kann, bei Schritt S114, die Steuerung des Aufwärtswandlers 30 zur Stromsteuerung für einen stationären Betrieb des Brennstoffzellenstapels 14 zurückkehren.
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Obwohl einige Aspekte der vorliegenden Offenbarung im Detail unter Bezugnahme auf die dargestellten Ausführungsformen beschrieben worden sind, werden Fachleute auf dem Gebiet erkennen, dass viele Änderungen an denselben vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Die vorliegende Offenbarung ist nicht beschränkt auf die hierin offenbarte genaue Konstruktion und Zusammensetzung; jegliche und alle Modifikationen, Änderungen und Variationen, ersichtlich aus den vorangehenden Beschreibungen, liegen innerhalb des Umfangs der Offenbarung, wie in den hinzugefügten Ansprüchen definiert. Darüber hinaus beinhalten die vorliegenden Konzepte ausdrücklich alle Kombinationen und Teilkombinationen der vorangehenden Elemente und Merkmale.
