DE102018204378A1

DE102018204378A1 - Ermittlung des Isolationswiderstands eines Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: DE102018204378A1
Application number: DE102018204378.7A
Authority: DE
Inventors: Kai Müller; Friedrich Wilhelm; Stefan LÄNGLE
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2018-03-22
Filing date: 2018-03-22
Publication date: 2019-09-26
Also published as: US20190293724A1; US11092653B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung des Isolationswiderstands eines Brennstoffzellensystems.

Description

BESCHREIBUNG:
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung des Isolationswiderstands eines Brennstoffzellensystems.
Die Traktionsbatterien von Elektro- und Hybridfahrzeugen weisen oft eine Nennspannung von mehreren hundert Volt, beispielsweise 350 bis 400 Volt auf. Daher ist es erforderlich, Sicherheitsmaßnahmen zu treffen, um eine Gefährdung von Menschenleben und Fahrzeugkomponenten durch die Hochspannung zu vermeiden. Durch Isolationsfehler können unkontrollierte Fehlerströme entstehen, die ausreichend hoch sind, um Menschenleben zu gefährden, Brände auszulösen oder andere Sachschäden hervorzurufen. In Fahrzeugen wird daher der Isolationswiderstand des HV-Systems (Hochspannungssystems) periodisch oder kontinuierlich überwacht.
Verschiedene Fahrzeughersteller haben sich auf eine Norm (LV123) für die Sicherheit der Hochvolttechnik bei Elektro- und Hybridfahrzeugen geeinigt. Diese Norm gibt eine Schwelle des Isolationswiderstandes vor, welche zwingend eingehalten werden muss. Ein Isolationswächter prüft regelmäßig oder kontinuierlich den Isolationswiderstand zwischen dem HV-Stromkreis und der Fahrzeugmasse. Unterschreitet dieser den vorgegebenen Schwellenwert, so werden Störmeldungen abgegeben und eventuell Anlagenteile abgeschaltet.
Brennstoffzellen in Brennstoffzellenfahrzeugen verfügen über einen Kühlkreislauf, um die Abwärme des Systems abzuführen. Dieser Kühlkreislauf ist mit einem flüssigen, sehr gering leitfähigen Fluid befüllt. Das Fluid wird durch die Bipolarplatten der Brennstoffzelle geleitet und trägt daher maßgeblich zum Isolationswiderstand des Systems bei.
Während des Brennstoffzellenbetriebs erhöht sich die Leitfähigkeit des Kühlmediums unter anderem durch Erwärmung, Verunreinigungseinflüsse oder andere Parameter. Diese Effekte können dazu führen, dass der gemessene Isolationswiderstand den Schwellenwert unterschreitet. Dadurch kann es zu einer ungewollten Systemabschaltung auf Gesamtfahrzeugebene kommen, obwohl sich das HV-System in einem sicheren Zustand befindet.
Daher ist die maximal nutzbare Kühlmitteltemperatur begrenzt. Dies führt zu einem hohen Systemaufwand, z.B. ist ein sehr großer Kühler erforderlich. Durch die Einschränkung des Betriebsbereich hinsichtlich der Betriebstemperatur wird unter Umständen der Systemwirkungsgrad negativ beeinflusst.
Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein Verfahren und ein System zur Verfügung zu stellen, welche zumindest einige der genannten Nachteile beseitigen.
Aus der DE 11 2005 002 361 T5 sind ein Gerät und ein Verfahren zur Erfassung eines elektrischen Verlusts für eine Brennstoffzelle bekannt. Das Verfahren misst einen elektrischen Gesamtwiderstand der Brennstoffzelle unter Berücksichtigung einer elektrischen Leitfähigkeit eines Kühlmittels. Eine Spannungserfassungseinrichtung erfasst die eine an einem in einer Brennstoffzelle fließenden Kühlmittel angelegte Spannung. Wenn die erfasste Spannung gleich oder größer als ein Spannungsschwellwert ist, wird das Auftreten eines elektrischen Verlusts konstatiert. Von einer Widerstandswerterfassungseinrichtung wird der Widerstandswert des Kühlmittels in der Brennstoffzelle erfasst. Der Schwellwert der Spannung wird erhöht, wenn sich der erfasste Widerstandswert des Kühlmittels in der Brennstoffzelle erhöht.
Die DE 11 2004 001 059 B4 offenbart ein Brennstoffzellenkühlsystem und ein Verfahren zum Steuern einer Zirkulation von Kühlflüssigkeit in einer Brennstoffzelle. Das Verfahren verringert eine in der Kühlflüssigkeit erzeugte Wärme, indem die Kühlflüssigkeit durch einen Ionentauscher in einen Kühlkreislauf geleitet wird, wodurch ein elektrischer Stromfluss durch das Kühlmittel und die dadurch erzeugte Wärme im Kühlmittel reduziert wird.
Aus US 2005/077364 A1 geht eine Temperatur- und Feuchtigkeitssteuerung für Brennstoffzellen hervor. Die Temperatursteuerung misst einen elektrischen Widerstand in einem Kühlkreislauf der Brennstoffzelle und passt daraufhin die Kühlmitteltemperatur an.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 2 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 3.
Erfindungsgemäß wird wie bisher der Isolationswiderstand auf HV-Systemebene gemessen. Zusätzlich wird der Isolationswiderstand des Brennstoffzellensystems basierend auf physikalischen Gesetzen und empirisch ermittelten Zusammenhängen berechnet. Mit dem gemessenen Gesamtwiderstand verrechnet kann der tatsächliche Isolationswiderstand des Gesamtsystems ermittelt werden.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Ermittlung des Isolationswiderstands eines HV-Systems in einem Fahrzeug, welches ein mit einem Brennstoffzellenkühlmittel gekühltes Brennstoffzellensystem umfasst. Es wird zunächst ein Isolationswiderstand R_ISO des HV-Systems gegen Masse, insbesondere die Fahrzeugkarosserie, gemessen. Aus dem gemessenen Isolationswiderstand R_ISO wird durch einen Kompensationsterm R_BZKM _Modell(T,e^-), welcher Änderungen der Leitfähigkeit des Brennstoffzellenkühlmittels aufgrund von Temperaturänderungen und/oder Änderungen der Ionenanzahl im Kühlmittel und/oder der Konzentration von Verschmutzungen im Kühlmittel kompensiert, ein korrigierter Isolationswiderstand R_{ISO korr} des HV-Systems ermittelt.
Der gemessene Isolationswiderstand (R_ISO) des Gesamtsystems setzt sich zusammen aus dem elektrischen Widerstand des HV-Systems (R_{HV Sys}) und dem elektrischen Widerstand des Brennstoffzellensystems (R_BZ(T,e^-)), der von der Temperatur T und der Ionenanzahl e^- im Kühlmittel bzw. dessen Verschmutzungsgrad abhängt. $\frac{1}{R_{I S O}} = \frac{1}{R_{H V S y s}} + \frac{1}{R_{B Z} (T, e^{-})}$
Der elektrische Widerstand des Brennstoffzellensystems (R_BZ(T,e^-)) lässt sich aufteilen in einen konstanten Teil R_BZ, der auf die Brennstoffzellen selbst zurückgeht, und einen variablen Teil R_BZKM(T,e^-), der auf das Brennstoffzellenkühlmittel zurückgeht und von der Temperatur T und der Ionenanzahl e^- im Kühlmittel bzw. dessen Verschmutzungsgrad abhängt. $\frac{1}{R_{B Z} (T, e^{-})} = \frac{1}{R_{B Z}} + \frac{1}{R_{B Z K M} (T, e^{-})}$
Es gilt $R_{B Z K M} (T, e^{-}) = p (T, e^{-}) * \frac{l}{A}$
worin p den spezifischen Widerstand des Kühlmittels, I den Längenanteil der Kühlmittelleitungen und A den Querschnitt der Kühlmittelleitungen im Brennstoffzellensystem repräsentieren.
Der gemessene Isolationswiderstand (R_ISO) des Gesamtsystems wird also durch folgende Formel repräsentiert: $\frac{1}{R_{I S O}} = \frac{1}{R_{H V S y s}} + \frac{1}{R_{B Z}} + \frac{1}{R_{B Z K M} (T, e^{-})}$
Erfindungsgemäß wird ein auf physikalischen Zusammenhängen und empirischen Daten basierender Kompensationsterm (R_{BZKM Modell}(T,e^-)) eingeführt, um die Abhängigkeit des Kühlmittelwiderstands von der Temperatur T und der Ionenanzahl e^- im Kühlmittel bzw. dessen Verschmutzungsgrad zu kompensieren.
Der korrigierte Isolationswiderstand des Gesamtsystems (R_ISO _korr), der dafür herangezogen wird, zu beurteilen, ob sich das HV-System in einem sicheren Betriebszustand befindet, ergibt sich durch $\frac{1}{R_{I S O k o r r}} = \frac{1}{R_{H V S y s}} + \frac{1}{R_{B Z}} + \frac{1}{R_{B Z} K M (T, e^{-})} + \frac{1}{R_{B Z K M M o d e l l (T, e^{-})}}$
Die ersten drei Terme auf der rechten Seite repräsentieren den gemessenen Isolationswiderstand (R_ISO), der sich zusammensetzt aus dem elektrischen Widerstand des HV-Systems (R_{HV Sys}), dem elektrischen Widerstand der Brennstoffzellen (R_BZ) und dem elektrischen Widerstand des Brennstoffzellenkühlmittels (R_BZKM (T,e^-)), der von der Temperatur T und der Ionenanzahl e^- im Kühlmittel bzw. dessen Verschmutzungsgrad abhängt.
Der vierte Term auf der rechten Seite repräsentiert einen auf physikalischen Zusammenhängen und empirischen Daten basierenden Kompensationsterm (R_BZKM _Modell(T,e^-)).
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Überprüfung der Betriebssicherheit eines HV-Systems in einem Fahrzeug, welches ein mit einem Brennstoffzellenkühlmittel gekühltes Brennstoffzellensystem umfasst. Das Verfahren umfasst die Ermittlung des Isolationswiderstands des HV-Systems gegen Masse, insbesondere die Fahrzeugkarosserie; den Vergleich des ermittelten Isolationswiderstands mit einem Schwellenwert für den Isolationswiderstand; und das Feststellen eines unsicheren Betriebszustands des HV-Systems, wenn der ermittelte Isolationswiderstand den Schwellenwert unterschreitet.
Erfindungsgemäß wird als Isolationswiderstand der nach dem voranstehend beschriebenen Verfahren ermittelte korrigierte Isolationswiderstand R_{ISO korr} dafür herangezogen, um zu beurteilen, ob sich das HV-System in einem sicheren Betriebszustand befindet.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet den Vorteil, dass die Isolationsgrenzen erweitert werden, da der von der Temperatur und der Konzentration leitfähiger Partikel im Brennstoffzellenkühlmittel abhängige Beitrag zum Isolationswiderstand des gesamten HV-Systems eliminiert wird.
Dies lässt mehr Spielraum für höhere Kühlmitteltemperaturen, was zu einer Kostenreduktion bei der Kühlerauslegung führt. Außerdem können die Betriebsbedingungen zu höheren Temperaturen hin verschoben werden, was Vorteile für den Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems mit sich bringt. Zudem wird durch Erweiterung der Isolationsgrenzen während des Brennstoffzellenbetriebs die Betriebsfähigkeit des Fahrzeugs stabilisiert, indem verhindert wird, dass bei Ansteigen der Leitfähigkeit des Kühlmittels während des Betriebs der Brennstoffzelle das System abgeschaltet wird. Ebenso verhindert das erfindungsgemäße Verfahren ein Liegenbleiben des Fahrzeugs bei einem Wiederstart des Brennstoffzellensystems, bei dem der Isolationswiderstand geprüft und bei Unterschreitung der Isolationsgrenze bzw. des Schwellenwerts ein Start des Fahrzeugs verhindert wird, da erfindungsgemäß der Einfluss von Temperatur und Verschmutzung des Kühlmittels kompensiert wird.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein System zur Ermittlung des Isolationswiderstands eines HV-Systems in einem Fahrzeug, welches ein mit einem Brennstoffzellenkühlmittel gekühltes Brennstoffzellensystem umfasst. Das erfindungsgemäße System umfasst ein Brennstoffzellensteuergerät, das dafür eingerichtet ist, aus einem gemessenen Isolationswiderstand R_ISO des HV-Systems durch einen Kompensationsterm R_{BZKM Modell}(T,e^-), welcher Änderungen der Leitfähigkeit des Brennstoffzellenkühlmittels aufgrund von Temperaturänderungen und/oder Änderungen der Ionenanzahl im Kühlmittel und/oder der Konzentration von Verschmutzungen im Kühlmittel kompensiert, einen korrigierten Isolationswiderstand R_{ISO korr} des HV-Systems zu ermitteln gemäß $\frac{1}{R_{I S O k o r r}} = \frac{1}{R_{I S O}} + \frac{1}{R_{B Z K M M o d e l l} (T, e^{-})}$
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 112005002361 T5 [0008]
DE 112004001059 B4 [0009]
US 2005077364 A1 [0010]

Claims

Verfahren zur Ermittlung des Isolationswiderstands eines HV-Systems in einem Fahrzeug, welches ein mit einem Brennstoffzellenkühlmittel gekühltes Brennstoffzellensystem umfasst, worin - ein Isolationswiderstand R_ISO des HV-Systems gegen Masse, insbesondere die Fahrzeugkarosserie, gemessen wird; und - aus dem gemessenen Isolationswiderstand R_ISO durch einen Kompensationsterm R_BZKM _Modell(T,e^-), welcher Änderungen der Leitfähigkeit des Brennstoffzellenkühlmittels aufgrund von Temperaturänderungen und/oder Änderungen der Ionenanzahl im Kühlmittel und/oder der Konzentration von Verschmutzungen im Kühlmittel kompensiert, ein korrigierter Isolationswiderstand R_{ISO korr} des HV-Systems ermittelt wird, gemäß $\frac{1}{R_{I S O k o r r}} = \frac{1}{R_{I S O}} + \frac{1}{R_{B Z K M M o d e l l} (T, e^{-})}$
Verfahren zur Überprüfung der Betriebssicherheit eines HV-Systems in einem Fahrzeug, welches ein mit einem Brennstoffzellenkühlmittel gekühltes Brennstoffzellensystem umfasst, umfassend die Ermittlung des Isolationswiderstands des HV-Systems gegen Masse, insbesondere die Fahrzeugkarosserie; den Vergleich des ermittelten Isolationswiderstands mit einem Schwellenwert für den Isolationswiderstand; und das Feststellen eines unsicheren Betriebszustands des HV-Systems, wenn der ermittelte Isolationswiderstand den Schwellenwert unterschreitet, dadurch gekennzeichnet, dass als Isolationswiderstand der nach Anspruch 1 ermittelte korrigierte Isolationswiderstand R_{ISO korr}, dafür herangezogen wird, um zu beurteilen, ob sich das HV-System in einem sicheren Betriebszustand befindet.
Vorrichtung zur Ermittlung des Isolationswiderstands eines HV-Systems in einem Fahrzeug, welches ein mit einem Brennstoffzellenkühlmittel gekühltes Brennstoffzellensystem umfasst, umfassend ein Brennstoffzellensteuergerät, das dafür eingerichtet ist, aus einem gemessenen Isolationswiderstand R_ISO des HV-Systems durch einen Kompensationsterm R_BZKM _Modell(T,e^-), welcher Änderungen der Leitfähigkeit des Brennstoffzellenkühlmittels aufgrund von Temperaturänderungen und/oder Änderungen der Ionenanzahl im Kühlmittel und/oder der Konzentration von Verschmutzungen im Kühlmittel kompensiert, einen korrigierten Isolationswiderstand R_{ISO korr} des HV-Systems zu ermitteln gemäß $\frac{1}{R_{I S O k o r r}} = \frac{1}{R_{I S O}} + \frac{1}{R_{B Z K M M o d e l l} (T, e^{-})}$