DE102018129845A1 - Brennstoffzellenstapel-Zellenspannungssensordiagnose - Google Patents

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Jeffrey J. Gagliardo
Andrew J. Maslyn
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Abstract

Ein Verfahren zum Bewerten einer Spannungssensorausgabe unter Verwendung eines Brennstoffzellenstapel-Spannungssensor-Diagnosesystems: Messen einer Gesamt-Brennstoffzellenstapel-Spannung unter Verwendung eines Brennstoffzellenstapel-Spannungssensors, Bestimmen, in einem Rationalitätstest erster Ordnung, ob ein Maximalwert der Gesamt-Brennstoffzellenstapel-Spannung kleiner als eine Sensorgrenze ist und ob ein Minimalwert der Gesamt-Brennstoffzellenstapel-Spannung größer als die Sensorgrenze ist, Durchführen eines Rationalitätstests zweiter Ordnung, um zu identifizieren, ob der Maximalwert größer als ein durchschnittlicher Sensorsignalwert ist und ob der durchschnittliche Sensorsignalwert größer als der Minimalwert ist, und Durchführen eines Rationalitätstests dritter Ordnung, um zu identifizieren, ob der Minimalwert kleiner als ein erster vorbestimmter Schwellenwert ist.

Description

  • EINLEITUNG
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft ein System und Verfahren zum Überwachen der Wasserstoff-Brennstoffzellenstapel-Spannung.
  • Bekannte Wasserstoffbrennstoffzellen und Brennstoffzellenstapel, die in Kraftfahrzeuganwendungen verwendet werden, verwenden mindestens einen Spannungssensor für jede zweite Brennstoffzelle in dem Stapel oder stellen einen speziellen Spannungssensor zum Messen des Spannungspotentials jeder Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellenstapel bereit. Die Anzahl der Spannungssensoren ist daher kostenintensiv. Es wird gegenwärtig angenommen, dass das Reduzieren der Menge an Spannungssensoren die Menge und daher die Qualität von Abtastpunkten, die verwendet werden, um zu identifizieren, ob eine Sensordrift auftritt oder ob ein Sensorfehler aufgetreten ist, reduziert.
  • Gegenwärtig kann ein falscher Sensorwert als ein elektrochemisches Phänomen interpretiert werden, und der Sensorwert wird möglicherweise nicht sofort als fehlerhaft erkannt. Es ist auch kein Verfahren bekannt, um einen fehlerhaften Sensor zu identifizieren, dessen Ausgabe innerhalb eines Bereichs von Ablesungen liegt, die aufgrund von elektrochemischen Prozessen innerhalb des Brennstoffzellenstapels durchführbar sind. Eine fehlerhafte Zelle in einem Brennstoffzellenstapel kann daher unerkannt bleiben, da das Lesen von dem fehlerhaften Zellensensor einen normalen Zustand anzeigen kann, wenn tatsächlich ein Zellenproblem auftreten kann.
  • Während somit gegenwärtige Brennstoffzellenstapel-Spannungssensorsysteme ihren beabsichtigten Zweck erreichen, besteht ein Bedarf nach einem neuen und verbesserten System und Verfahren zum Messen der Bedingungen eines Brennstoffzellenstapels unter Verwendung eines Brennstoffzellenstapel-Spannungssensorsystems.
  • KURZDARSTELLUNG
  • Gemäß mehreren Aspekten umfasst ein Verfahren zum Bewerten einer Spannungssensorausgabe unter Verwendung eines Brennstoffzellenstapel-Spannungssensor-Diagnosesystems: Bestimmen in einem Rationalitätstest erster Ordnung, ob ein Maximalwert eines Brennstoffzellen-Spannungssensorsignals eines Brennstoffzellenstapels kleiner als eine Sensorgrenze ist, und wenn ein Minimalwert des Sensorsignals größer als die Sensorgrenze ist, Durchführen eines Rationalitätstests zweiter Ordnung, um zu identifizieren, ob der Maximalwert des Sensorsignals größer als ein durchschnittlicher Sensorsignalwert ist und ob der durchschnittliche Sensorsignalwert größer als der Minimalwert des Sensorsignals ist, und Durchführen eines Rationalitätstests dritter Ordnung, um zu identifizieren, ob der Minimalwert des Sensorsignals kleiner als ein erster vorbestimmter Schwellenwert ist.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren das Beobachten der Leistung des Systems, zu identifizieren, ob der Brennstoffzellenstapel in einem Niedrigleistungsmodus arbeitet, wenn der Minimalwert des Sensorsignals kleiner als der erste vorbestimmte Schwellenwert ist.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren das Durchführen einer Zeitanforderung, wenn eine negative Antwort auf die Überwachung niedriger Leistung erzeugt wird, wobei eine Bestimmung einer Zeit seit dem Betrieb mit Niedrigleistung mit einer vorbestimmten minimalen Zeit verglichen wird.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren das Senden einer Niedrigleistungsanforderung an die Fahrzeugsystemsteuerung, wenn eine negative Antwort auf die Überwachung niedriger Leistung erzeugt wird und eine vorbestimmte Zeitgrenze erreicht wurde, die anzeigt, dass der Brennstoffzellenstapel für mehr als die vorbestimmte Mindestzeit im Hochleistungsbetrieb betrieben wurde.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren das Senden einer Anforderung zum Durchführen eines erweiterten Reaktantenkonzentrationstests an die Fahrzeugsystemsteuerung, und Durchführen des erweiterten Reaktantenkonzentrationstests, wenn dies von der Fahrzeugsystemsteuerung zugelassen wird, einschließlich Erhöhen mindestens eines Systemdrucks, einer Systemtemperatur und eines Systemflusses, um flüssiges Wasser aus dem Brennstoffzellenstapel zu entfernen.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren in einem ersten Vergleichstest eine erneute Analyse des Brennstoffzellen-Spannungssensorsignals, um zu identifizieren, ob der Minimalwert des Sensorsignals kleiner als ein zweiter vorbestimmter Schwellenwert ist, der mindestens gleich oder größer als der erste vorbestimmte Schwellenwert ist.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren das Senden einer Leerlaufspannungsanforderung an die Fahrzeugsystemsteuerung.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren: Nachdem die Leerlaufspannungsanforderung erfüllt ist, Durchführen einer Neuanalyse des Brennstoffzellen-Spannungssensorsignals und in einem zweiten Vergleichstest Vergleich des Minimalwertes des Sensorsignals mit einem dritten vorbestimmten Schwellenwert, der mindestens gleich oder höher als der zweite vorbestimmte Schwellenwert ist, und Bewerten, ob irgendwelche anderen Diagnosefehler aktiv sind.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren das Erzeugen einer Zellenmessfehlerwarnung, wenn entweder der Maximalwert des Sensorsignals größer als die Sensorgrenze ist oder wenn der Minimalwert des Sensorsignals kleiner als die Sensorgrenze ist.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren das Erzeugen der Zellenmessfehlerwarnung, wenn entweder der Maximalwert des Sensorsignals größer als der Durchschnittssensorsignalwert ist oder wenn der Durchschnittssensorsignalwert kleiner als der Minimalwert des Sensorsignals ist.
  • Gemäß mehreren Aspekten umfasst ein Verfahren zum Bewerten einer Spannungssensorausgabe unter Verwendung eines Brennstoffzellenstapel-Spannungssensor-Diagnosesystems: Messen einer Gesamt-Brennstoffzellenstapel-Spannung unter Verwendung eines Brennstoffzellenstapel-Spannungssensors, Bestimmen, in einem Rationalitätstest erster Ordnung, ob ein Maximalwert der Gesamt-Brennstoffzellenstapel-Spannung kleiner als eine Sensorgrenze ist und ob ein Minimalwert der Gesamt-Brennstoffzellenstapel-Spannung größer als die Sensorgrenze ist, Durchführen eines Rationalitätstests zweiter Ordnung, um zu identifizieren, ob der Maximalwert größer als ein durchschnittlicher Sensorsignalwert ist und ob der durchschnittliche Sensorsignalwert größer als der Minimalwert ist, und Durchführen eines Rationalitätstests dritter Ordnung, um zu identifizieren, ob der Minimalwert kleiner als ein erster vorbestimmter Schwellenwert ist.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren: Initiieren einer Leistungsanforderung an eine Fahrzeugsystemsteuerung, um zu identifizieren, ob der Brennstoffzellenstapel in einem Niedrigleistungsmodus betrieben wird, wenn der Minimalwert kleiner als der erste vorbestimmte Schwellenwert ist, und Senden einer Niedrigleistungsanforderung an die Fahrzeugsystemsteuerung, wenn eine positive Antwort auf die Leistungsanforderung erzeugt wird, die anzeigt, dass der Brennstoffzellenstapel länger als eine vorbestimmte Mindestzeit bei niedriger Leistung betrieben wurde.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren das Senden einer Anforderung zum Durchführen eines erweiterten Reaktantenkonzentrationstests an die Fahrzeugsystemsteuerung, nachdem bestätigt wurde, dass der Brennstoffzellenstapel länger als die vorbestimmte Mindestzeit bei Niedrigleistung betrieben wurde.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren: Durchführen des erweiterten Reaktantenkonzentrationstests, wenn dies durch die Fahrzeugsystemsteuerung zugelassen wird, einschließlich Erhöhen mindestens eines Systemdrucks, einer Systemtemperatur und/oder eines Systemflusses zum Entfernen von flüssigem Wasser aus dem Brennstoffzellenstapel und Wiederholen der Mess- und Identifizierungsschritte.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren in einem ersten Vergleichstest das Durchführen einer Neuanalyse der Gesamt-Brennstoffzellenstapel-Spannung, der Brennstoffzellen-Spannung der ersten Endzelle oder der Brennstoffzellen-Spannung der zweiten Endzelle.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren: Senden einer Leerlaufspannungsanforderung an die Fahrzeugsystemsteuerung, wenn der Minimalwert kleiner als ein zweiter vorbestimmter Schwellenwert ist, der mindestens gleich oder höher als der erste vorbestimmte Schwellenwert ist, und nachdem die Leerlaufspannungsanforderung erfüllt ist, Ausführen einer Neuanalyse der Gesamt-Brennstoffzellenstapel-Spannung, der Brennstoffzellen-Spannung der ersten Endzelle oder der Brennstoffzellen-Spannung der zweiten Endzelle und in einem zweiten Vergleichstest Vergleichen des Minimalwertes mit einem dritten vorbestimmten Schwellenwert, der mindestens gleich oder größer als der zweite vorbestimmte Schwellenwert ist.
  • In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren das Durchführen einer Analyse des Brennstoffzellenstapels, wenn der Minimalwert kleiner als der dritte vorbestimmte Schwellenwert ist.
  • Gemäß mehreren Aspekten umfasst ein Verfahren zum Bewerten einer Spannungssensorausgabe unter Verwendung eines Brennstoffzellenstapel-Spannungssensor-Diagnosesystems: Messen einer Gesamt-Brennstoffzellenstapel-Spannung unter Verwendung eines Brennstoffzellenstapel-Spannungssensors; Identifizieren einer Brennstoffzellen-Spannung von jeder ersten Endzelle des Brennstoffzellenstapels unter Verwendung eines ersten Endzellenspannungssensors und einer zweiten Endzelle des Brennstoffzellenstapels unter Verwendung eines zweiten Endzellenspannungssensors; Bestimmen in einem Rationalitätstest erster Ordnung, ob ein Maximalwert der Gesamtstapelspannung des Brennstoffzellenstapels, der Brennstoffzellen-Spannung der ersten Endzelle oder der Brennstoffzellen-Spannung der zweiten Endzelle kleiner als eine Sensorgrenze ist und wenn ein Minimalwert der Gesamtspannung des Brennstoffzellenstapels die Brennstoffzellen-Spannung der ersten Endzelle oder die Brennstoffzellen-Spannung der zweiten Endzelle größer als die Sensorgrenze ist, Durchführen eines Rationalitätstests zweiter Ordnung, um zu identifizieren, ob der Maximalwert größer als ein durchschnittlicher Sensorsignalwert ist und ob der durchschnittliche Sensorsignalwert größer als der Minimalwert ist, Durchführen eines Rationalitätstests dritter Ordnung, um zu identifizieren, ob der Minimalwert kleiner als ein erster vorbestimmter Schwellenwert ist; Initiieren einer Energieanforderung an eine Fahrzeugsystemsteuerung, um zu identifizieren, ob der Brennstoffzellenstapel in einem Niedrigleistungmodus betrieben wird, wenn der Minimalwert kleiner als der erste vorbestimmte Schwellenwert ist; und Senden einer Anforderung zum Durchführen eines erweiterten Reaktantenkonzentrationstests an die Fahrzeugsystemsteuerung, nachdem bestätigt wurde, dass der Brennstoffzellenstapel länger als die vorbestimmte Mindestzeit mit niedriger Leistung betrieben wurde.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren das Bestimmen von Brennstoffzellen-Spannungswerten im Bereich zwischen -1,5 V Gleichspannung und +1,5 V Gleichspannung für mehrere Eigenschaften des Brennstoffzellenstapels einschließlich Spannungsbereichen, der Kathoden-Sauerstoff-Entwicklung, Kathoden-Kohlenstoffkorrosion, Kathoden-ECSA-Verlust, normalem Betriebsbereich, Kathodenmangel, Anoden-Platinoxid-Wachstum, Anoden-KohlenstoffKorrosion und Anoden-Sauerstoff-Entwicklung.
  • Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst das Verfahren: Durchführen einer Neuanalyse der Gesamt-Brennstoffzellenstapel-Spannung, der Brennstoffzellen-Spannung der ersten Endzelle oder der Brennstoffzellen-Spannung der zweiten Endzelle, Übertragen einer Leerlaufspannungsanforderung an die Fahrzeugsystemsteuerung, wenn der Minimalwert kleiner als ein zweiter vorbestimmter Schwellenwert ist, der mindestens gleich oder höher als der erste vorbestimmte Schwellenwert ist, Anfordern eines Leerlaufspannungszustands, und Durchführen einer Neuanalyse der Gesamt-Brennstoffzellenstapel-Spannung, der Brennstoffzellen-Spannung der ersten Endzelle oder der Brennstoffzellen-Spannung der zweiten Endzelle und in einem zweiten Vergleichstest Vergleich des Minimalwertes mit einem dritten vorbestimmten Schwellenwert, der mindestens gleich oder höher als der zweite vorbestimmte Schwellenwert ist.
  • Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hier dargebotenen Beschreibung ersichtlich. Es ist zu beachten, dass die Beschreibung und die spezifischen Beispiele nur dem Zweck der Veranschaulichung dienen und nicht dazu beabsichtigt sind, den Umfang der vorliegenden Offenbarung zu begrenzen.
  • Figurenliste
  • Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen lediglich der Veranschaulichung und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken.
    • 1 ist eine perspektivische Vorderansicht eines Brennstoffzellenstapels gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
    • 2 ist eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstapel-Spannungssensor-Diagnosesystems gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
    • 3 ist eine schematische Darstellung eines Teils des Systems von 2, und
    • 4 ist ein Diagramm des Spannungspotentials im Vergleich zum Strom für das Brennstoffzellenstapel-Spannungssensor-Diagnosesystem der vorliegenden Offenbarung.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Die folgende Beschreibung ist ihrer Art nach lediglich exemplarisch und beabsichtigt nicht, die vorliegende Offenbarung, Anwendung oder Verwendungen zu begrenzen.
  • Bezugnehmend auf 1 stellt ein Brennstoffzellenstapel-Spannungssensor-Diagnosesystem 10 Diagnoseinformationen für einen beispielhaften Brennstoffzellenstapel 12 bereit, der mehrere einzelne Brennstoffzellen 14 umfassen kann. Gemäß mehreren Aspekten umfasst das Brennstoffzellenstapel-Spannungssensor-Diagnosesystem 10 minimal einen Gesamtstapelspannungssensor 16, der verwendet werden kann, um eine Gesamtstapelspannung zu erhalten. Gemäß weiteren Aspekten kann zusätzlich zu dem Gesamtstapelspannungssensor 16 das Brennstoffzellenstapel-Spannungssensor-Diagnosesystem 10 ferner einen Spannungssensor aufweisen, der dediziert ist, eine Zellenspannung von jeder der gegenüberliegenden Endzellen des Brennstoffzellenstapels 12 zu erhalten. Die Spannung einer ersten Endzelle 18 kann unter Verwendung eines dedizierten ersten Endzellensensors 20 erhalten werden. In ähnlicher Weise kann die Spannung einer zweiten Endzelle 22 unter Verwendung eines dedizierten zweiten Endzellensensors 24 erhalten werden. Endzellendaten sind nützlich, da die Endzellen normalerweise bei den höchsten Temperaturextremen des Brennstoffzellenstapels arbeiten und auch erkennen können, ob Betriebszustände wie Zellenüberfluten, Wasserstoffmangel oder dergleichen auftreten können.
  • Bezugnehmend auf 2 und wiederum auf 1 integriert das Brennstoffzellenstapel-Spannungssensor-Diagnosesystem 10 Daten von einem Graphen 26 in einen Algorithmus 28 und unterscheidet unter Verwendung des Algorithmus 28 einen gemessenen Spannungszustand des Brennstoffzellenstapels 12, der unter Bezugnahme auf 1 gezeigt und beschrieben wurde, oder eine einzelne Brennstoffzelle 14 des Brennstoffzellenstapels 12 repräsentiert ein physikalisches Phänomen, das aufgrund eines Sensorfehlers mit der Physik des Brennstoffzellenstapels 12 übereinstimmt. Beispiele eines Sensorfehlers können Sensordrift und einen erfassten Zustand umfassen, der innerhalb der erwarteten Zustände der Brennstoffzelle liegen kann, der jedoch ein Fehler oder ein Brennstoffzellenproblem sein kann.
  • Das Diagramm 26 zeigt typische Brennstoffzellen-Spannungswerte auf einer Ordinate 29 im Bereich von -1,5 V Gleichspannung bis +1,5 V Gleichspannung für mehrere gemessene oder messbare Eigenschaften des Brennstoffzellenstapels 12, der auf einer Abszisse 30 dargestellt ist. Diese Eigenschaften können die Bereiche eines Kathoden-Sauerstoffentwicklungsreaktionswerts 32, eines Kathoden-Kohlenstoffkorrosionswerts 34, eines Kathoden-ECSA(Electrochemical Surface Area)-Verlustwerts 36, eines Normalbetriebswerts 38, eines Kathoden-Verarmungswerts 40, eines Anoden-Platinoxid-Werts 42, einen Anoden-Kohlenstoff-Korrosionswert 44 und einen Anoden-SauerstoffEntwicklungsreaktionswert 46 umfassen.
  • Eine Sensor-Normalmessbereichskurve 48 ist dargestellt, die Werte eines Sensormessbereichs 50 zwischen ungefähr -1,0 V DC und +1,0 V DC abdeckt. Charakteristische Werte wie der Kathoden-Sauerstoffentwicklungsreaktionswert 32 liegen normalerweise im Bereich von etwa +1,4 bis +1,5 V DC und werden, wenn diese erfasst werden, als außerhalb des normalen Sensormessbereichs 50 liegend angesehen und werden daher als ein offensichtlicher Sensorfehler betrachtet. Charakteristische Werte wie der Anoden-Kohlenstoff-Korrosionswert 44 liegen normalerweise zwischen etwa -0,5 V DC bis - 1,5 V DC, was sich mit dem Sensormessbereich 50 überlappt, weshalb ein angegebenes Anoden-Kohlenstoff-Korrosionswertsignal 44 nicht einfach als ein Stapelfehler oder ein normales Messbereichsproblem identifiziert werden kann. Charakteristische Werte, wie beispielsweise der Kathoden-Verarmungswert 40, treten normalerweise nur innerhalb des normalen Sensormessbereichs 50 des Spannungssensors auf, wenn daher eine Sensordrift oder ein ähnlicher Sensorfehler auftritt, wird ein Sensorwert, der den Kathoden-Verarmungswert 40 identifiziert, normalerweise Probleme, die in der Brennstoffzelle oder einem Brennstoffzellenstapel vorhanden sind, nicht identifizieren. Es ist daher offensichtlich, dass ein anderer Ansatz erforderlich ist, um zwischen einem Stapelfehler und einem normalen Messbereichsproblem zu unterscheiden. Der Algorithmus 28 ist vorgesehen, um zwischen einem Stapelfehler und einem normalen Messbereichsproblem zu unterscheiden.
  • Der Algorithmus 28 empfängt in einem ersten Schritt 52 die Sensorsignale und beginnt in einem zweiten Schritt 54 mit einer diagnostischen Analyse, indem dieser zunächst einen Drei(3)-Ordnungs-Rationalitätstest des Sensorsignals (der Sensorsignale) durchführt. In einem Rationalitätstest 56 erster Ordnung oder Stufe I wird bestimmt, ob ein Maximalwert des Sensorsignals kleiner als eine Sensorgrenze ist und ob ein Minimalwert des Sensorsignals größer als die Sensorgrenze ist. Wenn entweder der Maximalwert des Sensorsignals größer als die Sensorgrenze ist oder wenn der Minimalwert des Sensorsignals kleiner als die Sensorgrenze ist, wird der Sensor nicht als fehlerhaft betrachtet, jedoch wird eine Zellenmessfehlerwarnung 58 erzeugt, wodurch eine vorbestimmte Korrekturmaßnahme durchgeführt werden kann.
  • Wenn der Maximalwert des Sensorsignals kleiner als die Sensorgrenze ist oder wenn der Minimalwert des Sensorsignals größer als die Sensorgrenze ist, wird ein Rationalitätstest 60 der zweiten Ordnung oder der Stufe II durchgeführt. In dem Rationalitätstest 60 der Stufe II wird bestimmt, ob ein Maximalwert des Sensorsignals größer als ein durchschnittlicher Sensorsignalwert ist und ob ein durchschnittlicher Sensorsignalwert größer als der Minimalwert des Sensorsignals ist. Wenn entweder der Maximalwert des Sensorsignals größer als der durchschnittliche Sensorsignalwert ist oder wenn der durchschnittliche Sensorsignalwert kleiner als der Minimalwert des Sensorsignals ist, wird der Sensor nicht als fehlerhaft betrachtet, jedoch wird die Zellenmessfehlerwarnung 58 erzeugt, für die eine vorbestimmte Korrekturmaßnahme ausgeführt werden kann.
  • Ein Scheitern entweder des Rationalitätstests 56 der Stufe I oder des Rationalitätstests 60 der Stufe II, das nicht auf einen Sensorfehler oder -ausfall hinweist, kann beispielsweise durch einen einzelnen Zellenkurzschluss oder einen Zellenstapelkurzschluss verursacht werden. Ein Zellenkurzschluss oder ein Zellenstapelkurzschluss kann unter Verwendung eines separaten Tests außerhalb des Umfangs der vorliegenden Offenbarung identifiziert werden.
  • Wenn die Ergebnisse sowohl des Rationalitätstests 56 der Stufe I als auch des Rationalitätstests 60 der Stufe II angeben, dass die Spannungssensorwerte innerhalb des Bereichs oder des durchschnittlichen Ausgabesignals des Spannungssensors liegen, wird ein Rationalitätstest 62 der Stufe III durchgeführt, der ausführlicher im Detail in Bezug auf 3 erläutert wird. Der Rationalitätstest 62 der Stufe III kann als ein Hinweis auf einen Sensorausfall verwendet werden. Wenn am Ende der mit dem Algorithmus 28 durchgeführten Analysen ein Sensorausfall angezeigt wird, wird ein Diagnosefehler 64 angezeigt.
  • Bezugnehmend auf 3 und wiederum auf die 1 und 2 sind Betriebsschritte, die von dem Algorithmus 28 verwendet werden, wie folgt: Wenn der Rationalitätstest 56 der Stufe I fehlschlägt, wird ein Fehlersignal 66 weitergeleitet, um die Zellenmessfehlerwarnung 58 zu erzeugen. Wird der Rationalitätstest 56 der Stufe I erfolgreich bestanden, wird ein Durchgangssignal 68 weitergeleitet, um den Rationalitätstest 60 der Stufe II einzuleiten. Wenn der Rationalitätstest 60 der Stufe II fehlschlägt, wird ein Fehlersignal 70 weitergeleitet, um die Zellenmessfehlerwarnung 58 zu erzeugen. Wird der Rationalitätstest 60 der Stufe II bestanden, wird ein Durchgangssignal 72 weitergeleitet, um den Rationalitätstest 62 der Stufe III einzuleiten.
  • Während des Rationalitätstests 62 dritter Ordnung wird bestimmt, ob ein Minimalwert des Sensorsignals kleiner als ein erster vorbestimmter Schwellenwert 74 ist. Der erste vorbestimmte Schwellenwert 74 basiert auf systemdefinierten Kriterien, wie z. B. dem Mitteln der Eigenschaften mehrerer gemessener Brennstoffzellenstapel, und kann, basierend auf der fortgesetzten Überwachung des Zustands von Stapeln und Zellen, adaptiv sei. Der erste vorbestimmte Schwellenwert 74 wird ausgewählt, um falsche Positive zu minimieren. Ist der Minimalwert des Sensorsignals NICHT kleiner als der erste vorbestimmte Schwellenwert 74, wird ein Neustartsignal 76 erzeugt, um den Algorithmus 28 zu dem zweiten Schritt 54 zurückzuführen, um die Diagnoseanalysen neu zu starten. Ist der Minimalwert des Sensorsignals kleiner als der erste vorbestimmte Schwellenwert 74, initiiert ein Startsignal 78 eine Leistungsanforderung 80, die bestimmt, ob der Brennstoffzellenstapel 12 in einem Niedrigleistungsmodus, wie beispielsweise bei oder unter ungefähr 5 kW arbeitet.
  • Wird eine negative Antwort 82 für die Energieanforderung 80 erzeugt, wird ein Zeitanforderungsschritt 84 durchgeführt. Während des Zeitanforderungsschritts 84 wird eine Zeit seit dem Betrieb mit Niedrigleistung mit einer vorbestimmten minimalen Zeit verglichen. Ist die Zeit seit dem Betrieb bei Niedrigleistung nicht größer als die vorbestimmte minimale Zeit, wird eine Schleifenrückführung 86 durchgeführt, um die Energieanforderung 80 neu zu starten. Die Schleifenrückführung 86 wird durchgeführt, da es in einem nachfolgenden Abschnitt des Algorithmus 28 vorteilhaft ist, weitere Signaltests nur bei niedriger Leistung des Brennstoffzellenstapels durchzuführen, und das Wiederholen des Zeitanforderungsschritts 84 ermöglicht dem Brennstoffzellenstapel 12, sich bei Niedrigleistungsbetrieb zu normalisieren.
  • Wenn eine positive Antwort 88 auf die Energieanforderung 80 erzeugt wird und der Brennstoffzellenstapel 12 daher für eine größere, als die vorbestimmte Mindestzeit bei niedriger Leistung betrieben wurde, wird eine Niedrigleistungsanforderung 90 an eine Fahrzeugsystemsteuereinrichtung 91 gesendet, die identifiziert, dass, wenn diese zulässig und durchführbar ist, wenn beispielsweise der Fahrzeugbediener keinen Betrieb mit hoher Leistung oder hoher Geschwindigkeit anfordert, ein erweiterter Reaktantenkonzentrationstest 92 für die Elektroden des Brennstoffzellenstapels 12 angefordert wird. Wenn dies von der Fahrzeugsystemsteuerung 91 zugelassen wird, wird der erweiterte Reaktantenkonzentrationstest 92 bestätigen, ob ein niedriger Zellenzustand vorliegt, der bei einem Niedrigleistungsbetrieb bewertet werden muss. Der erweiterte Reaktantenkonzentrationstest 92 minimiert zeitweilig den Massentransport oder streustrombedingte Effekte durch Entfernen von überschüssigem Wasser, das sich in den Brennstoffzellen 14 angesammelt haben könnte oder durch Erhöhen einer Reaktantenkonzentration (Erhöhen der Wasserstoff- und Sauerstoffzufuhr), um vorübergehend sicherzustellen, dass eine bekannte Reaktantenkonzentration vorhanden ist. Wasser kann beispielsweise durch Erhöhen des Zelldrucks, Erhöhen der Zellflussrate und/oder Erhöhen der Zellentemperatur für eine vorbestimmte Zeitperiode aus den Brennstoffzellen verdrängt werden.
  • Diese Bedingungen können nicht eingestellt werden, wenn der Brennstoffzellenstapel 12 Leistung oberhalb des Niedrigleistungspegels liefern muss, und werden vorzugsweise eingerichtet, wenn der Brennstoffzellenstapel-Leistungsbedarf im Wesentlichen Null ist. Die Fahrzeugsystemsteuerung 91 wird daher die Niedrigleistungsanforderung 90 empfangen und entweder die Anforderung basierend auf der Systemleistungsnachfrage erteilen oder die Anforderung in Wartestellung versetzen, bis das System den erforderlichen Leistungspegel erreicht. Es ist auch anzumerken, dass, wenn die Antwort von der Leistungsanforderung 80 ist, dass der Brennstoffzellenstapel 12 in dem Niedrigleistungsmodus arbeitet, der Zeitanforderungsschritt 84 umgangen wird und der erweiterte Reaktantenkonzentrationstest 92 sofort durchgeführt werden kann.
  • Es ist wünschenswert, sich auf einem Niedrigleistungsniveau zu befinden, damit der Brennstoffzellenstapel 12 in einem kinetischen Bereich der Leistungskurve arbeitet, wo die tatsächliche oder gemessene Leistung des Brennstoffzellenstapels 12 den idealen Bedingungen am nächsten kommt. Niedrigleistungsbedingungen ermöglichen auch Tests, die die vom Fahrer beabsichtigten Änderungen oder Anforderungen nicht beeinflussen. Die Physik des elektrochemischen Potentials bei Niedrigleistung wird nicht durch kinetische, resistive, ionische oder Brennstoffreaktionsverluste verfälscht. Bei Niedrigleistung wird die Leistung des erweiterten Reaktantenkonzentrationstests 92 vom Bediener nicht wahrgenommen.
  • Nachdem ein erweiterter Reaktantenkonzentrationstest 92 durchgeführt wurde, werden die Ausgabesignale von den Brennstoffzellenstapel-Spannungssensoren, wie dem Gesamtstapelspannungssensor 16, dem dedizierten ersten Endzellensensor 20 und dem dedizierten zweiten Endzellensensor 24 erneut analysiert, um zu bestimmen, ob Brennstoffzellenstapelbedingungen wie eine Überflutung behoben wurden oder die Sensorwerte nicht beeinträchtigen. Drucksensorablesungen werden ebenfalls verwendet, um zu bestätigen, ob Zelldurchgänge frei von Überflutungen sind. In einem ersten Vergleichstest 96 werden minimale Ausgabe-Sensorwerte mit einem zweiten vorbestimmten Schwellenwert 98 verglichen. Der zweite vorbestimmte Schwellenwert 98 ist mindestens gleich oder größer als der erste vorbestimmte Schwellenwert 74, da erwartet wird, dass der Brennstoffzellenstapel 12 vom Zellenüberfluten befreit wurde und eine höhere Brennstoffkonzentration den Brennstoffzellen zugeführt wurde, daher werden voraussichtlich höhere Zellenspannungen gemessen. Druck- und Spannungsbasiswerte werden beispielsweise aus vorbestimmten Daten in einer Datentabelle basierend auf dem gegenwärtigen Leistungsbereich bestimmt, die verwendet werden, um eine erwartete Spannungsabgabe vorherzusagen, um diese mit der von den Spannungssensoren empfangenen neuen Spannungsausgabe zu vergleichen.
  • Wenn eine minimale Spannung größer als der zweite vorbestimmte Schwellenwert 98 ist, wird eine negative Antwort 100 erzeugt, die das System zu dem zweiten Schritt 54 zurückführt, wo die diagnostischen Analysen neu gestartet werden. Die negative Antwort 100 zeigt an, dass die Brennstoffzellen aufgrund eines Fehlerzustands, wie Überflutung oder unangemessene Kraftstoffkonzentration, kein niedriges Potential mehr erfahren, weshalb ein korrigierbares Zellenproblem korrigiert wurde, der Sensor nicht defekt ist und die Diagnose neu gestartet werden kann.
  • Wenn der Brennstoffzellenstapel 12 weiterhin mit Niedrigleistung arbeitet, wird, wenn eine minimale Spannung kleiner als der zweite vorbestimmte Schwellenwert 98 ist, eine positive Antwort 102 erzeugt, von der eine Leerlaufspannungsanforderung 104 erzeugt und an die Fahrzeugsystemsteuerung 91 weitergeleitet wird. Die Fahrzeugsystemsteuerung 91 empfängt die Leerlaufspannungsanforderung 104 und erteilt entweder die Anforderung, wenn die Fahrzeugbetriebsbedingungen dies zulassen, oder diese versetzt die Anforderung in Wartestellung. Die Leerlaufspannungsanforderung 104 weist den Systemaufwärtswandler an, Nullleistung von dem Brennstoffzellenstapel 12 zu ziehen, während noch Reaktanten in den Brennstoffzellenstapel 12 eingespeist werden. Ein maximales Brennstoffzellenstapelpotential sollte daher auftreten und sich der theoretischen Zellenspannungsgrenze des Brennstoffzellenstapels 12 annähern.
  • Nachdem die Leerlaufspannungsanforderung 104 zugelassen wurde, werden die Sensorspannungen erneut gemessen und erneut analysiert. In einem zweiten Vergleichstest 106 werden minimale Ausgabesensorwerte mit einem dritten vorbestimmten Schwellenwert 108 verglichen. Der dritte vorbestimmte Schwellenwert 108 ist mindestens gleich oder größer als der zweite vorbestimmte Schwellenwert 98, da erwartet wird, dass der Brennstoffzellenstapel 12 seine maximale Zellenspannung erzeugt. Ist die minimale Sensorspannung größer als der dritte vorbestimmte Schwellenwert 108, wird eine negative Antwort 110 erzeugt, die das System zu dem zweiten Schritt 54 zurückführt, wo die Diagnoseanalysen erneut gestartet werden. Die negative Antwort 110 zeigt an, dass die Brennstoffzellen erwartungsgemäß funktionieren, daher ist ein Sensor nicht fehlerhaft und die Diagnose kann erneut gestartet werden.
  • Arbeitet der Brennstoffzellenstapel 12 weiterhin gemäß der Leerlaufspannungsanforderung 104, wenn eine Minimalspannung kleiner als der dritte vorbestimmte Schwellenwert 108 ist, wird eine positive Antwort 112 erzeugt und eine andere aktive Diagnoseanforderung 114 wird durchgeführt, um festzustellen, ob irgendein anderer Diagnosetest ein anderes Brennstoffzellenstapelproblem anzeigt, beispielsweise einen Stapel- oder Zellenkurzschluss. Ist die Antwort auf die andere aktive Diagnoseanforderung 114 negativ 116, wird die Zellenmessfehlerwarnung 58 erzeugt, für die eine vorbestimmte Abhilfeaktion durchgeführt werden kann. Ist die Antwort auf die andere aktive Diagnoseanforderung 114 positiv 118, wird der Diagnosefehler 64 angezeigt.
  • Bezugnehmend auf 4 und wiederum auf 3 zeigt ein Graph 120 verschiedene Bereiche von Zellenspannungen 122 über einen Bereich von Zellenstrom 124 für den Wasserstoff-Brennstoffzellenstapel 12 an. Zellpotentialverluste aufgrund eines Aktivierungsüberpotentials erzeugen einen Zellenspannungsbereich 126 bei sehr niedrigem Zellenstrom. Eine abfallende Zellenspannung 128 aufgrund ohmscher Verluste tritt über einen mittleren Zellenstrombereich auf. Massentransportverluste bewirken, dass eine Zellenspannung 130 bei einem maximalen Zellenstrom von 1,0 Ampere im Wesentlichen Null erreicht. Wie zuvor erwähnt, kann, um die Effekte von Massentransport-, ohmschen und kinetischen Verlusten zu eliminieren, wenn bestimmt wird, ob die Spannungssensoren richtig arbeiten, die Leerlaufspannungsanfrage 104 erfolgen. Ein maximales Potential 132 des Brennstoffzellenstapels 12 wird bei einer hohen Zellenspannung 134 erreicht, wenn die Leerlaufspannungsanforderung 104 den Systemaufwärtswandler anweist, Nullleistung von dem Brennstoffzellenstapel 12 zu ziehen, während noch Reaktanten in den Brennstoffzellenstapel 12 eingespeist werden. Die Zellenspannung 134 kann dann als eine Basiswertspannung verwendet werden, mit der die tatsächliche Ausgabespannung des Spannungssensors verglichen werden kann.
  • Ein Brennstoffzellenstapel-Spannungssensor-Diagnosesystem 10 der vorliegenden Offenbarung bietet mehrere Vorteile. Das Brennstoffzellenstapel-Spannungssensor-Diagnosesystem 10 stellt einen mehrstufigen Ansatz bereit, um nacheinander verschiedene Brennstoffzellenprobleme zu eliminieren, die Spannungssensorausgabediskrepanzen verursachen können. Ein erneutes Testen der Spannungssensorausgabe unter Verwendung verschiedener vorbestimmter Schwellenwerte in mehreren Schritten stellt ein erhöhtes Maß an Sicherheit bereit, dass kein Sensorfehler auftritt, bevor ein Systemsensorfehler bestimmt wird. Das Brennstoffzellenstapel-Spannungssensor-Diagnosesystem 10, das den Algorithmus 28 anwendet, stellt dadurch eine erhöhte Zuverlässigkeit bereit, dass eine verringerte Menge an Systemspannungssensoren das Potential der Brennstoffzellenstapel-Spannung genau bereitstellen wird.
  • Die Beschreibung der vorliegenden Offenbarung ist nur als Beispiel zu verstehen und Variationen, die sich nicht vom Kern der vorliegenden Offenbarung entfernen, werden als im Rahmen der vorliegenden Offenbarung befindlich vorausgesetzt. Solche Varianten sollen nicht als eine Abweichung vom Sinn und Umfang der Erfindung betrachtet werden.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Bewerten einer Ausgabespannung eines Spannungssensor-Sensors unter Verwendung eines Brennstoffzellenstapel-Spannungssensor-Diagnosesystems, umfassend: Bestimmen in einem Rationalitätstest erster Ordnung, ob ein Maximalwert eines Brennstoffzellen-Spannungssensorsignals eines Brennstoffzellenstapels kleiner als eine Sensorgrenze ist und ob ein Minimalwert des Sensorsignals größer als die Sensorgrenze ist; Durchführen eines Rationalitätstests zweiter Ordnung, um festzustellen, ob der Maximalwert des Sensorsignals größer als ein durchschnittlicher Sensorsignalwert ist und ob der durchschnittliche Sensorsignalwert größer als der Minimalwert des Sensorsignals ist, und Durchführen eines Rationalitätstests dritter Ordnung, um zu identifizieren, ob der Minimalwert des Sensorsignals kleiner als ein erster vorbestimmter Schwellenwert ist.
  2. Verfahren zum Bewerten einer Spannungssensorausgabe unter Verwendung eines Brennstoffzellenstapel-Spannungssensor-Diagnosesystems nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Einleiten einer Leistungsanforderung an eine Fahrzeugsystemsteuerung, um zu identifizieren, ob der Brennstoffzellenstapel in einem Niedrigleistungsmodus betrieben wird, wenn der Minimalwert von dem Sensorsignal kleiner als der erste vorbestimmte Schwellenwert ist.
  3. Verfahren zum Bewerten einer Spannungssensorausgabe unter Verwendung eines Brennstoffzellenstapel-Spannungssensor-Diagnosesystems nach Anspruch 2, ferner umfassend ein Durchführen einer Zeitanforderung, wenn eine negative Antwort auf die Leistungsanforderung erzeugt wird, wobei eine Bestimmung einer Zeit seit einem Niedrigleistungsbetrieb gegenüber einer vorbestimmten Zeit verglichen wird.
  4. Verfahren zum Bewerten einer Spannungssensorausgabe unter Verwendung eines Brennstoffzellenstapel-Spannungssensor-Diagnosesystems nach Anspruch 2, das ferner ein Senden einer Niedrigleistungsanforderung an die Fahrzeugsystemsteuerung umfasst, wenn eine negative Antwort auf die Niedrigleistungsanforderung erzeugt wird, die anzeigt, dass der Brennstoffzellenstapel für mehr als die vorbestimmte Zeit im Hochleistungsbetrieb betrieben wird.
  5. Verfahren zum Bewerten einer Spannungssensorausgabe unter Verwendung eines Brennstoffzellenstapel-Spannungssensor-Diagnosesystems nach Anspruch 4, ferner umfassend: Senden einer Anforderung zum Durchführen eines verbesserten Reaktantenkonzentrationstest an die Fahrzeugsystemsteuerung, und Durchführen des erweiterten Reaktantenkonzentrationstests, wenn dies von der Fahrzeugsystemsteuerung zugelassen wird, einschließlich Erhöhen mindestens eines Systemdrucks, einer Systemtemperatur und eines Systemflusses, um flüssiges Wasser aus dem Brennstoffzellenstapel zu entfernen.
  6. Verfahren zum Bewerten einer Spannungssensorausgabe unter Verwendung eines Brennstoffzellenstapel-Spannungssensor-Diagnosesystems nach Anspruch 5, das ferner in einem ersten Vergleichstest zum Durchführen einer Neuanalyse des Brennstoffzellen-Spannungssensorsignals zur Identifizierung, ob der Minimalwert des Sensorsignals kleiner ist, eine zweite vorbestimmte Schwelle, die mindestens gleich oder höher als der erste vorbestimmte Schwellenwert ist, umfasst.
  7. Verfahren zum Bewerten einer Spannungssensorausgabe unter Verwendung eines Brennstoffzellenstapel-Spannungssensor-Diagnosesystems nach Anspruch 6, ferner umfassend ein Übermitteln einer Leerlaufspannungsanforderung an die Fahrzeugsystemsteuerung.
  8. Verfahren zum Bewerten einer Spannungssensorausgabe unter Verwendung eines Brennstoffzellenstapel-Spannungssensor-Diagnosesystems nach Anspruch 7, ferner umfassend: nach Erfüllen der Leerlaufspannungsanforderung Durchführen einer erneuten Analyse des Brennstoffzellen-Spannungssensorsignals und in einem zweiten Vergleichstest Vergleichen des Minimalwerts des Sensorsignals mit einem dritten vorbestimmten Schwellenwert, der mindestens gleich oder höher als die zweite vorbestimmte Schwelle ist; und Bewerten, ob andere Diagnosefehler aktiv sind.
  9. Verfahren zum Bewerten einer Spannungssensorausgabe unter Verwendung eines Brennstoffzellenstapel-Spannungssensor-Diagnosesystems nach Anspruch 1, ferner umfassend das Erzeugen einer Zellenmessfehlerwarnung, wenn entweder der Maximalwert des Sensorsignals größer als die Sensorgrenze ist oder wenn der Minimalwert des Sensorsignals kleiner als die Sensorgrenze ist.
  10. Verfahren zum Bewerten einer Ausgabespannung eines Spannungssensor-Sensors unter Verwendung eines Brennstoffzellenstapel-Spannungssensor-Diagnosesystems, umfassend: Messen einer Gesamt-Brennstoffzellenstapel-Spannung unter Verwendung eines Brennstoffzellen-Spannungssensors; Identifizieren einer Brennstoffzellen-Spannung von jeder einer ersten Endzelle des Brennstoffzellenstapels unter Verwendung eines ersten Endzellenspannungssensors und einer zweiten Endzelle des Brennstoffzellenstapels unter Verwendung eines zweiten Endzellenspannungssensors; Bestimmen in einem Rationalitätstest erster Ordnung, ob ein Maximalwert der Gesamt-Brennstoffzellenstapel-Spannung, der Brennstoffzellen-Spannung der ersten Endzelle oder der Brennstoffzellen-Spannung der zweiten Endzelle kleiner als eine Sensorgrenze ist und ob ein Minimalwert von der Brennstoffzellenstapel-Spannung, die Brennstoffzellen-Spannung der ersten Endzelle oder die Brennstoffzellen-Spannung der zweiten Endzelle größer als die Sensorgrenze ist; Durchführen eines Rationalitätstests zweiter Ordnung, um zu identifizieren, ob der Maximalwert größer als ein durchschnittlicher Sensorsignalwert ist, und wenn der durchschnittliche Sensorsignalwert größer als der Minimalwert ist; Durchführen eines Rationalitätstests der dritten Ebene, um zu identifizieren, ob der Minimal-wert kleiner als ein erster vorbestimmter Schwellenwert ist; Initiieren einer Leistungsanforderung an eine Fahrzeugsystemsteuerung, um zu identifizieren, ob der Brennstoffzellenstapel in einem Niedrigleistungsmodus betrieben wird, wenn der Minimalwert kleiner als der erste vorbestimmte Schwellenwert ist, und Senden einer Anfrage zum Durchführen eines verbesserten Reaktantenkonzentrationstests an die Fahrzeugsystemsteuereinheit, nachdem bestätigt wurde, dass der Brennstoffzellenstapel länger als die vorbestimmte Mindestzeit bei Niedrigleistung betrieben wurde.
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