DE102018215723A1

DE102018215723A1 - Temperaturabsenkung zur Leitwertreduzierung

Info

Publication number: DE102018215723A1
Application number: DE102018215723.5A
Authority: DE
Inventors: Frank David
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2018-09-14
Filing date: 2018-09-14
Publication date: 2020-03-19

Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zur Leitwertreduzierung eines Kühlmittels in einem Hochvoltsystem (bzw. zur Erhöhung des Isolationswiderstandes des Hochvoltsystems). Das Hochvoltsystem umfasst eine Kühlvorrichtung und einen Kühlmittelkreislauf. Das Verfahren umfasst Ermitteln eines Betriebsparameters, der eine Leitfähigkeit des Kühlmittels anzeigt; Vergleichen des ermittelten Betriebsparameters mit einem Schwellwert; und Absenken einer Temperatur des Kühlmittels basierend auf dem Vergleich. Der ermittelte Betriebsparameter beinhaltet einen gemessenen Isolationswiderstand (bzw. Leitwert) und der Schwellwert beinhaltet einen Isolationsschwellwert (bzw. Leitfähigkeitsschwellwert). Das Absenken der Temperatur des Kühlmittels erfolgt, falls der gemessene Isolationswiderstand gleich dem Isolationsschwellwert oder kleiner als der Isolationsschwellwert ist (bzw. falls der gemessene Leitwert gleich dem Leitfähigkeitsschwellwert oder größer als der Leitfähigkeitsschwellwert ist). Weiter betrifft die vorliegende Offenbarung ein System, das zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens konfiguriert ist, und ein Fahrzeug, dass das System umfasst.

Description

Die Offenbarung betrifft Systeme und Verfahren für eine Temperarturabsenkung zur Leitwertreduzierung. Die Offenbarung betrifft insbesondere Systeme und Verfahren für eine Temperarturabsenkung zur Leitwertreduzierung in elektrischen Fahrzeugen mit Hochvoltkomponenten (HV-Komponenten), insbesondere solche mit Brennstoffzellensystemen.
Stand der Technik
Im Stand der Technik sind elektrische Fahrzeuge bekannt, in denen alle HV-führenden Komponenten aus Sicherheitsgründen einen minimalen Isolationswiderstand aufweisen müssen. Typischerweise wird der minimale Isolationswiderstand permanent gemessen. Bei Erreichen einer sicherheitskritischen Schwelle, wenn der Isolationswiderstand nicht mehr ausreichend hoch ist, wird das HV-System deaktiviert.
HV-Systeme für Fahrzeuge können insbesondere auf einem Brennstoffzellensystem (FC-System) basieren. In ihrer einfachsten Form ist eine Brennstoffzelle ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Die Brennstoffzelle umfasst eine Anode und eine Kathode, die durch einen ionenselektiven Separator getrennt sind. Die Anode weist eine Zufuhr für einen Brennstoff zur Anode auf. Bevorzugte Brennstoffe sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode weist beispielsweise eine Zufuhr für Oxidationsmittel auf. Bevorzugte Oxidationsmittel sind bspw. Luft, Sauerstoff und Peroxide. Der ionenselektive Separator kann bspw. als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind beispielsweise: Nafion®, Flemion® und Aciplex®. Ein Brennstoffzellensystem umfasst mindestens eine Brennstoffzelle sowie periphere Systemkomponenten (BOP-Komponenten), die beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle zum Einsatz kommen können. In der Regel sind mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack zusammengefasst.
Brennstoffzellensysteme besitzen typischerweise einen Kühlkreislauf. In solchen Kühlkreisläufen darf das Kühlmittel typischerweise nur einen äußerst geringen Leitwert aufweisen. Bei zu hohen Leitwerten kann sonst der vorgeschriebene Isolationswiderstand zu leicht unterschritten werden.
Nachfolgend wird sowohl auf eine Leitwertreduzierung als auch auf eine Erhöhung des Isolationswiderstandes Bezug genommen. Sofern nicht ausdrücklich abweichend beschrieben, wird im Folgenden unterstellt, dass eine Leitwertreduzierung grundsätzlich mit einer Erhöhung des Isolationswiderstandes einhergeht, und umgekehrt. Typischerweise wird der Isolationswiderstandes für das gesamte Hochvoltsystem gemessen (d.h. vorzugsweise nicht von nur einzelnen Komponenten). Damit ist der erforderliche Isolationswiderstand für das Brennstoffzellensystem i.d.R. nicht explizit bekannt und abhängig von den restlichen Komponenten des Gesamtsystems. Das bedeutet, je geringer der Widerstand der restlichen Komponenten ist, desto höher muss derjenige der Brennstoffzelle sein um einen erforderlichen Gesamtwiderstand zu erreichen. In Bezug auf den Leitwert, ist dessen Höhe stark abhängig von der Gestaltung des Brennstoffzellensystems (z.B. Materialauswahl, Leitungslängen). Beispielsweise kann ein erstes System, das eine entsprechend optimierte Gestaltung aufweist, mit einem Leitwert von 100 µS/cm einen Isolationswiderstand von 1 MΩ aufweisen, währen ein zweites System, das eine weniger optimierte Gestaltung aufweist, bei einem Kühlmittelleitwert von 5 µS/cm nur einen Isolationswiderstand von 100 kΩ aufweisen. Etwaige angegebene Werte beziehen sich daher jeweils auf eine entsprechende beispielhafte Ausgestaltung des Hochvoltsystems.
Während des Betriebs von Brennstoffzellensystemen werden üblicherweise permanent Ionen der verwendeten Bauteile (z.B. Schläuche, Kühler) in das Kühlmittel des Brennstoffzellensystems eingetragen und können so dessen Leitfähigkeit erhöhen. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, ist üblicherweise ein Ionenfilter vorgesehen, der eingebrachte Ionen ausfiltert. Zudem kann die Leitfähigkeit des Kühlmittels mit zunehmender Temperatur ansteigen.
Die Druckschrift U.S. 6,709,779 B2 beschreibt ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug mit einer Leitwertreduktionsvorrichtung, in dem der Durchfluss eines Kühlmittels durch einen Ionenfilter basierend auf dem Leitwert des Kühlmittels derart gesteuert wird, dass ein maximaler Leitwert nicht überschritten wird. Die Vorrichtung ist mit einem Ionenfilter und einer Steuereinheit versehen, wobei die Steuereinheit den Durchfluss durch den Filter steuern und so den Leitwert durch Entfernen von Ionen aus dem Kühlmittel senken kann.
Im Betrieb von Fahrzeugen mit HV-Komponenten bzw. Brennstoffzellensystemen kann es unter ungünstigen Umständen vorkommen, dass sich der Isolationswiderstand der Komponente bzw. des Systems einer zulässigen (minimalen) Grenze nähert und so eine Abschaltung des HV-Systems verursacht. Dies kann beispielsweise durch Materialabweichungen der Komponenten im Kühlkreislauf hervorgerufen werden, beispielsweise wenn diese Materialabweichungen einen erhöhten Eintrag an Ionen verursachen. Eine unzureichende Funktion des Ionenfilters (z.B. Verstopfung) kann ebenfalls einen verringerten Isolationswiderstand zur Folge haben.
Infolgedessen kann das betroffene Fahrzeug möglicherweise nicht mehr aus eigener Kraft bewegt werden, beispielsweise in eine sichere Position abseits der Fahrbahn oder in eine Werkstatt. Solche Fälle können sehr negative Auswirkungen in Bezug auf die wahrgenommene Sicherheit und/oder Zuverlässigkeit der Fahrzeuge haben und so das Nutzerempfinden bzw. die Wahrnehmung beeinflussen.
Daher besteht Bedarf an einer effizienteren und/oder zuverlässigeren Reduzierung des Leitwertes des Kühlmittels in einer HV-Komponente bzw. einem Brennstoffzellensystem.
Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, Systeme und Verfahren zur Leitwertreduzierung bereitzustellen, die einen oder mehrere der vorgenannten Nachteile vermeiden und/oder einen oder mehrere der beschriebenen Vorteile ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
In einem ersten Aspekt gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist ein Verfahren zur Leitwertreduzierung eines Kühlmittels in einem Hochvoltsystem angegeben. Das Hochvoltsystem umfasst eine Kühlvorrichtung und einen Kühlmittelkreislauf. Das Verfahren umfasst Ermitteln eines Betriebsparameters, der eine Leitfähigkeit des Kühlmittels anzeigt; Vergleichen des ermittelten Betriebsparameters mit einem Schwellwert; und Absenken einer Temperatur des Kühlmittels basierend auf dem Vergleich.
In einem zweiten Aspekt nach dem ersten Aspekt beinhaltet der ermittelte Betriebsparameter einen gemessenen Isolationswiderstand des Hochvoltsystems und der Schwellwert beinhaltet einen Isolationsschwellwert. Das Absenken der Temperatur des Kühlmittels basierend auf dem Vergleich umfasst Absenken der Temperatur des Kühlmittels, falls der gemessene Isolationswiderstand gleich dem Isolationsschwellwert oder kleiner als der Isolationsschwellwert ist. Vorzugsweise ist der Schwellwert für den Isolationswiderstand (des gesamten HV-Systems) größer oder gleich 60 kΩ (25 kΩ für ein 500 V System gemäß Sicherheitsanforderung 50 Ω/V, zuzüglich 35 kΩ Sicherheitsabstand um die Temperaturabsenkung auszulösen).
In einem dritten Aspekt nach dem zweiten Aspekt umfasst das Verfahren weiter Vergleichen des gemessenen Isolationswiderstandes mit einem Isolationsabschaltschwellwert; und Abschalten des Hochvoltsystems, falls der gemessene Isolationswiderstand gleich dem Isolationsabschaltschwellwert oder kleiner als der Isolationsabschaltschwellwert ist. Vorzugsweise ist der Isolationsabschaltschwellwert größer oder gleich 50 kΩ (Abschaltwert für das HV-System für ein 500 V System gemäß Sicherheitsanforderung 50 Ω/V, zuzüglich 25 kΩ Sicherheitsabstand).
In einem vierten Aspekt nach einem der vorhergehenden Aspekte beinhaltet der ermittelte Betriebsparameter einen gemessenen Leitwert des Kühlmittels und der Schwellwert beinhaltet einen Leitfähigkeitsschwellwert. Das Absenken der Temperatur des Kühlmittels basierend auf dem Vergleich umfasst Absenken der Temperatur des Kühlmittels, falls der gemessene Leitwert gleich dem Leitfähigkeitsschwellwert oder größer als der Leitfähigkeitsschwellwert ist. Vorzugsweise ist der Leitfähigkeitsschwellwert kleiner oder gleich 40 µS/cm, weiter vorzugsweise ist der Leitfähigkeitsschwellwert kleiner oder gleich 30 µS/cm.
In einem fünften Aspekt nach dem vierten Aspekt, umfasst das Verfahren weiter Vergleichen des gemessenen Leitwertes mit einem Leitfähigkeitsabschaltschwellwert; und Abschalten des Hochvoltsystems, falls der gemessene Leitwert gleich dem Leitfähigkeitsabschaltschwellwert oder größer als der Leitfähigkeitsabschaltschwellwert ist. Vorzugsweise ist der Leitfähigkeitsabschaltschwellwert kleiner oder gleich 45 µS/cm, weiter vorzugsweise ist der Leitfähigkeitsabschaltschwellwert kleiner oder gleich 35 µS/cm.
In einem sechsten Aspekt nach einem der vorhergehenden Aspekte umfasst das Absenken der Temperatur des Kühlmittels Reduzieren einer Abgabeleistung des Hochvoltsystems; Bewirken einer Wirkungsgradvertrimmung des Hochvoltsystems; Erhöhen einer Leistung der Kühlvorrichtung; Erhöhen eines Durchsatzes des Kühlmittels im Kühlkreislauf; und/oder Ändern einer Verteilung des Kühlmittels im Kühlmittelkreislauf.
In einem siebten Aspekt nach einem der vorhergehenden Aspekte umfasst das Hochvoltsystem weiter einen Ionenfilter; ein Dreiwegeventil, das konfiguriert ist, einen Kühlmittelfluss im Kühlmittelkreislauf zu regeln; einen Ausgleichsbehälter, der konfiguriert ist, Druck- und/oder Volumenunterschiede im Kühlmittelkreislauf auszugleichen; und/oder eine Pumpe, die konfiguriert ist, das Kühlmittel im Kühlmittelkreislauf zu zirkulieren.
In einem achten Aspekt nach einem der vorhergehenden Aspekte beinhaltet das Hochvoltsystem ein Brennstoffzellensystem.
In einem neunten Aspekt gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist ein System zur Leitwertreduzierung eines Kühlmittels in einem Hochvoltsystem angeben. Das System umfasst eine Steuereinheit, die konfiguriert ist zur Ausführung des Verfahrens gemäß den hier beschriebenen Ausführungsformen.
In einem zehnten Aspekt gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist Fahrzeug angegeben, umfassend ein Hochvoltsystem und ein System gemäß den hier beschriebenen Ausführungsformen zur Leitwertreduzierung in dem Hochvoltsystem.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Offenbarung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Dabei werden im Folgenden, sofern nicht anders vermerkt, für gleiche und gleichwirkende Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet.

1 zeigt schematisch den Aufbau eines Brennstoffzellensystems;
2 zeigt ein Diagramm, das Verläufe der Temperatur und der Leitfähigkeit eines Kühlmittels darstellt;
2A zeigt ein Diagramm, das Verläufe der Temperatur eines Kühlmittels und des Isolationswiderstandes eines Hochvoltsystems darstellt; und
3 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.

Ausführungsformen der Offenbarung
1 zeigt schematisch den Aufbau eines Brennstoffzellensystems 100, wobei im Sinne einer übersichtlichen Darstellung einige Details des Brennstoffzellensystems nicht dargestellt sind. Es versteht sich, dass die schematische Darstellung in 1 keinen Anspruch auf Vollständigkeit erhebt und dass sekundäre Komponenten (z.B. Ablass- bzw. Entlüftungsventile, Durchflussmesser, Sensoren zur Leitwerterfassung und dergleichen mehr) nicht explizit dargestellt und/oder beschrieben sind. Erfindungsgemäße Verfahren und Systeme beziehen sich ausdrücklich auch auf bekannte Brennstoffzellensysteme und deren Komponenten.
Kühlmittel zirkuliert in einem Kühlkreislauf 106 und durchströmt einen Brennstoffzellenstapel bzw. Brennstoffzellenstack 110, bzw. die einzelnen Zellen des Stacks 110. Eine Pumpe 150 bewirkt die Zirkulation des Kühlmittels im Kühlkreislauf 106, der mit einem Ausgleichsbehälter 140 versehen sein kann, um Druck- und/oder Volumenunterschiede auszugleichen. Weiter weist der Kühlkreislauf 106 ein Kühlvorrichtung 130 und einen Ionenfilter bzw. -tauscher 160 auf, die wie gezeigt über ein Dreiwegeventil 120 oder eine andere Flusskontrollvorrichtung mit dem Kühlkreislauf verbunden sind. Der Ionenfilter kann, wie in 1 gezeigt, in einem Bypass parallel zur Kühlvorrichtung angeordnet sein. Alternativ kann der Ionenfilter 160 parallel zum Stack 110 oder permanent durchströmt im Kühlkreislauf 106 angeordnet sein. Die gezeigten Komponenten sind beispielhaft und die erfindungsgemäßen Verfahren und Systeme sind entsprechend auf verschiedene Ausgestaltungen des Kühlkreislaufs 106 anwendbar.
Die Kühlvorrichtung 130 ist konfiguriert, vorzugsweise in Zusammenwirkung mit dem Dreiwegeventil 120, die Temperatur des Kühlmittels zu regulieren bzw. zu verringern. Dabei wird der Fluss des Kühlmittels im Kühlkreislauf 106 nach Bedarf gesteuert, um eine gewünschte Temperatur zu erreichen bzw. beizubehalten. So kann eine Regulierung beispielsweise über das Dreiwegeventil 120 erfolgen, welches bei Bedarf gesteuert ist, zumindest einen Teil des Kühlmittels am Kühler vorbeizuleiten, sodass die Temperatur im Stack nicht zu weit abfällt. Dies ist üblicherweise bei fast allen Betriebspunkten unterhalb der Volllast der Fall, da der Kühler so ausgelegt ist, dass bei Volllast eine gewünschte Zieltemperatur noch erreicht werden kann. Typischerweise arbeiten Brennstoffzellen optimal (z.B. bzgl. Wirkungsgrad, Verschleiß) in einem engen Temperaturfenster (z.B. ca. 60-70°C). Insbesondere sind zu geringe Temperaturen kritisch bzgl. Fluten der Zellen mit Reaktionswasser, sodass eine kontrollierte Regelung der Kühlmitteltemperatur notwendig ist.
Typischerweise beinhaltet die Kühlvorrichtung 130 einen Kühler bzw. Wärmetauscher, der die Wärmeenergie des Kühlmittels auf ein vom Kühlkreislauf getrenntes Fluid (z.B. separater Kühlwasserkreislauf, Luft) überträgt. Der Ionenfilter bzw. -tauscher 160 ist konfiguriert, Ionen aus dem Kühlkreislauf zu entfernen bzw. auszutauschen, um den Ionengehalt und somit die Leitfähigkeit des Kühlmittels zu regulieren.
Das Kühlmittel befindet sich in direktem Kontakt mit Hochspannung, beispielsweise in einem Bereich von 200 V bis 500 V. Ein oder mehrere Komponenten des Kühlkreislaufes 106 sind über das Kühlmittel mit Hochspannung verbunden, sodass die Leitfähigkeit des Kühlmittels nur sehr gering sein darf. Typischerweise muss die Leitfähigkeit des Kühlmittels in einem Bereich unterhalb von ungefähr 50 µS/cm liegen (vorzugsweise unterhalb von ungefähr 40 µS/cm, weiter vorzugsweise unterhalb von ungefähr 30 µS/cm), um zu verhindern, dass die Hochspannung auf Komponenten des Kühlkreislaufs 106 übergreifen kann.
Fahrzeuge, in denen HV-Komponenten eingesetzt werden, sind üblicherweise mit einem oder mehreren Isowächtern versehen, die permanent den elektrischen Isolationswiderstand des Kühlmittels überwachen und bei Unterschreiten einer minimalen Sicherheitsschwelle (z.B. 50 kΩ; siehe oben) das HV-System deaktiviert. Ein Anstieg der Leitfähigkeit des Kühlmittels resultiert in einem entsprechend sinkendem Isolationswiderstand.
2 zeigt ein Diagramm 200, das Verläufe der Temperatur (T) und der Leitfähigkeit (σ) eines Kühlmittels über die Zeit (t) darstellt. Wie beschrieben, kann es im Betrieb eines Brennstoffzellensystems unter ungünstigen Bedingungen vorkommen, dass sich der Leitwert einer zulässigen (maximalen) Grenze 212 nähert, sodass aus Sicherheitsgründen eine Abschaltung des HV-Systems nötig wird. Bei Erreichen bzw. Überschreiten der zulässigen maximalen Grenze des Leitwertes 212 kann der Isolationswiderstand des Hochvoltsystems eine zulässige (minimalen) Grenze erreichen bzw. unterschreiten, die jedoch für einen sicheren Betrieb notwendig ist. In einem solchen Fall muss das HV-System abgeschaltet werden, mit den oben beschriebenen Nachteilen.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, bereits vor Erreichen bzw. Überschreiten der zulässigen maximalen Leitfähigkeit 212, geeignete Maßnahmen zur Absenkung der Kühlmittelleitfähigkeit zu ergreifen. Die zulässige maximale Leitfähigkeit 212 definiert eine vorbestimmte Abschaltschwelle, bei deren Erreichen das Hochvoltsystem abgeschaltet wird. In einigen Ausführungsbeispielen liegt die Abschaltschwelle bei ungefähr 45 µS/cm, vorzugsweise bei ungefähr 35 µS/cm (Leitwert), bzw. bei ungefähr 50 kΩ (Isolationswiderstand; Einzelheiten siehe oben). Erfindungsgemäß wird vor Erreichen der Abschaltschwelle die Leitfähigkeit des Kühlmittels abgesenkt. Bei einigen Ausführungsbeispielen liegt die Schwelle hierfür bei ungefähr 40 µS/cm, vorzugsweise bei ungefähr 30 µS/cm (Leitwert), bzw. bei ungefähr 60 kΩ (Isolationswiderstand; Einzelheiten siehe oben).
Bevorzugt wird der Isolationswiderstand einer oder mehrerer Komponenten, vorzugsweise des gesamten HV-Systems, gemessen, sodass basierend auf dem gemessenen Isolationswiderstand auf einen Leitwert des Kühlmittels geschlossen werden kann. Alternativ kann in einigen Ausführungsformen die Leitfähigkeit des Kühlmittels direkt ermittelt (z.B. explizite Messung) und bei Erreichen bzw. Überschreiten eines Schwellwertes 210 die Temperatur des Kühlmittels verringert werden. Ein Ermitteln des Isolationswiderstandes bzw. des Leitwertes, der eine Leitfähigkeit des Kühlmittels anzeigt, kann mittels ein oder mehrerer Sensoren erfolgen, wobei die ein oder mehreren Sensoren an, in oder in der Nähe einzelner Komponenten des Kühlmittelkreislaufs und/oder im Kühlmittelkreislauf selbst angeordnet sind. In bevorzugten Ausführungsformen erfolgt eine Messung des Isolationswiderstandes. Dies kann insbesondere die Kosten und/oder Komplexität des Hochvoltsystems 100 reduzieren, da zusätzliche Sensorik zur expliziten Messung des Leitwertes entfallen können.
In 2 ist ein beispielhafter Verlauf 204 der Leitfähigkeit des Kühlmittels und ein beispielhafter Verlauf 206 der Temperatur des Kühlmittels über die Zeit dargestellt. Ein Schwellwert 210 und der Abschaltschwellwert 212 sind ebenfalls dargestellt. Zunächst befindet sich der Leitfähigkeitsverlauf 204 sowohl unterhalb des Schwellwertes 210 und des Abschaltschwellwertes 212. Der dazugehörige Kühlmitteltemperaturverlauf 206 ist ebenfalls dargestellt.
Zum Zeitpunkt t₁ erreicht bzw. überschreitet der Leitfähigkeitsverlauf 204 den Schwellwert 210 und nähert sich somit dem Abschaltschwellwert 212. Bei gleichbleibenden Betriebsparametern (z.B. in etwa gleichbleibende Kühlleistung; vgl. Kühlmitteltemperaturverlauf 206') kann von einem weiteren Leitfähigkeitsverlauf 204' (siehe gestrichelte Linie) ausgegangen werden, der nach kurzer Zeit, im Beispiel zum Zeitpunkt t₂ , den Abschaltschwellwert 212 erreicht bzw. überschreitet. Somit müsste bei gleichbleibenden Betriebsparametern das HV-System zum Zeitpunkt t₂ aus den vorgenannten Gründen abgeschaltet werden.
Erfindungsgemäß ist jedoch vorgesehen, vor Erreichen des Abschaltschwellwertes 212 geeignete Maßnahmen zur Senkung der Kühlmittelleitfähigkeit zu ergreifen, um ein Erreichen bzw. Überschreiten des Abschaltschwellwertes zu verhindern. Im Beispiel wird hierzu ab dem Zeitpunkt t₁ die Kühlmitteltemperatur verringert, um ein weiteres Ansteigen des Leitwertes zu verlangsamen bzw. zu verhindern.
Der Kühlmitteltemperaturverlauf 206 illustriert eine Senkung der Kühlmitteltemperatur zwischen dem Zeitpunkt t₁ und dem Zeitpunkt t₃ (vgl. Zeitraum 220), die eine Abflachung des Leitwertverlaufes 204 bewirkt. Ein weiteres Ansteigen des Leitwertverlaufes 204 wird verlangsamt bzw. verhindert, sodass zumindest im Zeitraum 230, d.h. zwischen den Zeitpunkten t₂ und t₃ , der Leitwertverlauf 204 den Abschaltschwellwert 212 nicht erreicht bzw. überschreitet.
Erfindungsgemäß kann so die Betriebsdauer des HV-Systems im gezeigten Beispiel zumindest um den Zeitraum 230 verlängert werden. Dies ermöglicht dem Nutzer eines Fahrzeugs mit HV-Komponenten zumindest eine sichere Position anzufahren oder eine Werkstatt aufzusuchen. In anderen Fällen kann, wenn ein Erreichen des Abschaltschwellwertes 212 längere Zeit bzw. dauerhaft verhindert werden kann, die Betriebsdauer des HV-Systems um längere Zeiträume bzw. dauerhaft verlängert werden. Letzteres ist beispielsweise insofern vorteilhaft, als dass eventuelle Wartungsarbeiten innerhalb regulärer Wartungsintervalle und/oder in Abstimmung mit einem Nutzwunsch durchgeführt werden können.
Eine Absenkung des Kühlmittelleitwertes kann auf verschiedene Arten erfolgen. Beispielsweise kann eine Absenkung des Kühlmittelleitwertes durch eine Absenkung der Kühlmitteltemperatur bewirkt werden. Dies kann beispielsweise durch eine Leistungsabsenkung des HV-Systems (z.B. Reduzierung der abgegebenen Wärme), eine Wirkungsgradvertrimmung (z.B. Änderung der Betriebsparameter des HV-Systems), eine Erhöhung der Leistung der Kühlvorrichtung (z.B. Lüfterdrehzahl, Kühlmitteldurchsatz) oder eine Änderung der Kühlmittelverteilung erfolgen.
Im Falle eines in einem Fahrzeug betriebenen Hochvoltsystems kann zusätzlich eine entsprechende Information an den Nutzer des Fahrzeugs erfolgen, um eine gewünschte Beeinflussung der Kühlmitteltemperatur und/oder des Kühlmittelleitwertes zu bewirken. Beispielsweise kann der Nutzer eine vom Hochvoltsystem angeforderte Leistung reduzieren oder eine geplante Fahrstrecke kann hinsichtlich punktueller und/oder durchschnittlicher Leistungsanforderungen angepasst werden.
2A zeigt ein Diagramm 200', das Verläufe der Temperatur (T) und des Isolationswiderstandes (Ω) eines Hochvoltsystems (z.B. Brennstoffzellensystem) über die Zeit (t) darstellt. Alternativ zu einem direkt gemessenen Leitwert des Kühlmittels, kann der Isolationswiderstand als Indikator für den Leitwert herangezogen werden. Hierbei kann aus Sicherheitsgründen eine Abschaltung des HV-Systems nötig werden, wenn sich der gemessene Isolationswiderstand einer zulässigen (minimalen) Grenze 212' nähert. Ein Erreichen bzw. Unterschreiten der zulässigen minimalen Grenze des Isolationswiderstandes 212' zeigt ein Erreichen bzw. Überschreiten einer zulässigen maximalen Grenze des Kühlmittelleitwertes an, die jedoch für einen sicheren Betrieb notwendig ist.
In 2A ist ein beispielhafter Verlauf 205 des Isolationswiderstandes des Hochvoltsystems und ein beispielhafter Verlauf 206 der Temperatur des Kühlmittels über die Zeit dargestellt. Ein Schwellwert 210' und der Abschaltschwellwert 212' sind ebenfalls dargestellt. Zunächst befindet sich der Isolationswiderstandsverlauf 205 sowohl oberhalb des Schwellwertes 210' und des Abschaltschwellwertes 212', was einen ausreichend hohen Isolationswiderstand anzeigt. Der dazugehörige Kühlmitteltemperaturverlauf 206 ist ebenfalls dargestellt.
Zum Zeitpunkt t₁ erreicht bzw. unterschreitet der Isolationswiderstandsverlauf 205 den Schwellwert 210' und nähert sich somit dem Abschaltschwellwert 212'. Bei gleichbleibenden Betriebsparametern (z.B. in etwa gleichbleibende Kühlleistung; vgl. Kühlmitteltemperaturverlauf 206') kann von einem weiteren Isolationswiderstandsverlauf 205' (siehe gestrichelte Linie) ausgegangen werden, der nach kurzer Zeit, im Beispiel zum Zeitpunkt t₂ , den Abschaltschwellwert 212' erreicht bzw. unterschreitet. Somit müsste bei gleichbleibenden Betriebsparametern das HV-System zum Zeitpunkt t₂ aus den vorgenannten Gründen abgeschaltet werden.
Erfindungsgemäß ist jedoch vorgesehen, vor Erreichen des Abschaltschwellwertes 212' geeignete Maßnahmen zur Erhöhung des Isolationswiderstandes zu ergreifen, um ein Erreichen bzw. Unterschreiten des Abschaltschwellwertes zu verhindern. Wie im vorstehend beschriebenen Beispiel mit Bezug auf 2 wird auch in 2A ab dem Zeitpunkt t₁ die Kühlmitteltemperatur wie beschrieben verringert, um ein weiteres Absinken des Isolationswiderstandes zu verlangsamen bzw. zu verhindern. Die Maßnahmen hierzu entsprechen den oben in Bezug auf das Beispiel in 2 beschriebenen.
3 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 300 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Das Verfahren 300 zur Leitwertreduzierung eines Kühlmittels in einem Hochvoltsystem 100, wird typischerweise in Verbindung mit einem Hochvoltsystem 100 angewendet, das zumindest eine Kühlvorrichtung 130 und einen Kühlmittelkreislauf 106 umfasst. Das Verfahren 300 beginnt in Schritt 301. In Schritt 302 wird ein Isolationswiderstand (und/oder Leitwert) ermittelt, der eine Leitfähigkeit des Kühlmittels anzeigt. Dies kann mittels einem oder mehrerer Sensoren erfolgen, der bzw. die im Kühlmittelkreislauf angeordnet sind, wahlweise an oder in der Nähe von Komponenten des Kühlmittelkreislaufs. In Schritt 304 wird der ermittelte Isolationswiderstand (und/oder der Leitwert) mit einem Isolationsschwellwert 210' (bzw. Leitfähigkeitsschwellwert 210) verglichen. Der Isolationsschwellwert 210' (bzw. der Leitfähigkeitsschwellwert 210) definiert einen minimalen Isolationswiderstand (bzw. maximalen Leitwert) oberhalb (bzw. unterhalb) einer Abschaltschwelle des Hochvoltsystems, wie vorstehend beschrieben. In Schritt 308 wird eine Temperatur des Kühlmittels abgesenkt, falls der ermittelte Isolationswiderstand gleich dem Isolationsschwellwert 210' oder kleiner als der Isolationsschwellwert 210' ist (bzw. falls der ermittelte Leitwert gleich dem Leitfähigkeitsschwellwert 210 oder größer als der Leitfähigkeitsschwellwert 210 ist). Diese Temperaturabsenkung kann auf unterschiedliche Weise vorgenommen werden und hat eine Reduzierung des Leitwertes des Kühlmittels zur Folge. Das Verfahren wird üblicherweise kontinuierlich ausgeführt, wobei nach Schritt 306 bzw. 308 das Verfahren ab Schritt 302 wiederholt wird. Das Verfahren endet bei Schritt 314, beispielsweise, wenn das Hochvoltsystem planmäßig oder außerplanmäßig außer Betrieb genommen wird.
Das Absenken 308 der Temperatur des Kühlmittels kann einen oder mehrere der folgenden Schritte umfassen. Die Absenkung der Temperatur kann durch Reduzieren einer Abgabeleistung des Hochvoltsystems bewirkt werden. Hierbei wird vorzugsweise oder primär die Wärmeabgabe des Hochvoltsystems reduziert, was bei gleichbleibender Kühlleistung eine Reduzierung der Temperatur des Kühlmittels zur Folge hat. Dadurch kann ein weiteres Ansteigen des Leitwertes verringert bzw. verhindert werden, oder der Leitwert reduziert werden. Die Absenkung der Temperatur kann weiter zusätzlich oder alternativ durch Bewirken einer Wirkungsgradvertrimmung des Hochvoltsystems 100 erfolgen. Hierbei werden Betriebsparameter des Hochvoltsystems derart angepasst, dass die Wärmeabgabe des Hochvoltsystems reduziert wird, ebenfalls mit den vorgenannten Folgen. Die Absenkung der Temperatur kann weiter zusätzlich oder alternativ durch Erhöhen einer Leistung der Kühlvorrichtung 130 bewirkt werden. Insbesondere durch Erhöhen eines Durchsatzes des Kühlmittels im Kühlkreislauf 106 und/oder durch Ändern einer Verteilung des Kühlmittels im Kühlmittelkreislauf 106 kann hier eine Kühlleistung der Kühlvorrichtung gesteigert, sodass die Temperatur des Kühlmittels, und damit der Leitwert dessen, reduziert wird.
Das Verfahren 300 umfasst wahlweise weiter, in Schritt 310, ein Vergleichen des ermittelten Isolationswiderstandes (bzw. Leitwertes) mit einem Isolationsabschaltschwellwert 212' (bzw. Leitfähigkeitsabschaltschwellwert 212). Falls der ermittelte Isolationswiderstand gleich dem Isolationsabschaltschwellwert 212' oder kleiner als der Isolationsabschaltschwellwert 212' ist (bzw. falls der ermittelte Leitwert gleich dem Leitfähigkeitsabschaltschwellwert 212 oder größer als der Leitfähigkeitsabschaltschwellwert 212 ist), wird in Schritt 312 das Hochvoltsystems 100 abgeschaltet und in Schritt 314 das Verfahren 300 beendet.
Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen wirklich nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehenden Erläuterungen in der Beschreibung, definiert wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6709779 B2 [0007]

Claims

Verfahren (300) zur Leitwertreduzierung eines Kühlmittels in einem Hochvoltsystem (100), das Hochvoltsystem umfassend eine Kühlvorrichtung (130) und einen Kühlmittelkreislauf (106), das Verfahren (300) umfassend: Ermitteln (302) eines Betriebsparameters, der eine Leitfähigkeit des Kühlmittels anzeigt; Vergleichen (304) des ermittelten Betriebsparameters mit einem Schwellwert (210; 212); und Absenken (308) einer Temperatur des Kühlmittels basierend auf dem Vergleich.
Verfahren (300) nach Anspruch 1, wobei der ermittelte Betriebsparameter einen gemessenen Isolationswiderstand des Hochvoltsystems (100) beinhaltet; der Schwellwert einen Isolationsschwellwert (210') beinhaltet; und Absenken (308) der Temperatur des Kühlmittels basierend auf dem Vergleich umfasst: Absenken der Temperatur des Kühlmittels, falls der gemessene Isolationswiderstand gleich dem Isolationsschwellwert (210') oder kleiner als der Isolationsschwellwert (210') ist; vorzugsweise wobei der Isolationsschwellwert (210') größer oder gleich 60 kΩ ist.
Verfahren (300) nach Anspruch 2, weiter umfassend: Vergleichen (310) des gemessenen Isolationswiderstandes mit einem Isolationsabschaltschwellwert (212'); und Abschalten des Hochvoltsystems (100), falls der gemessene Isolationswiderstand gleich dem Isolationsabschaltschwellwert (212') oder kleiner als der Isolationsabschaltschwellwert (212') ist; vorzugsweise wobei der Isolationsabschaltschwellwert (212') größer oder gleich 50 kΩ ist.
Verfahren (300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei der ermittelte Betriebsparameter einen gemessenen Leitwert des Kühlmittels beinhaltet; der Schwellwert einen Leitfähigkeitsschwellwert (210) beinhaltet; und Absenken (308) der Temperatur des Kühlmittels basierend auf dem Vergleich umfasst: Absenken der Temperatur des Kühlmittels, falls der gemessene Leitwert gleich dem Leitfähigkeitsschwellwert oder größer als der Leitfähigkeitsschwellwert (210) ist; vorzugsweise wobei der Leitfähigkeitsschwellwert (210) kleiner oder gleich 40 µS/cm ist, weiter vorzugsweise wobei der Leitfähigkeitsschwellwert (210) kleiner oder gleich 30 µS/cm ist.
Verfahren (300) nach Anspruch 4, weiter umfassend: Vergleichen (310) des gemessenen Leitwertes mit einem Leitfähigkeitsabschaltschwellwert (212); und Abschalten des Hochvoltsystems (100), falls der gemessene Leitwert gleich dem Leitfähigkeitsabschaltschwellwert (212) oder größer als der Leitfähigkeitsabschaltschwellwert (212) ist; vorzugsweise wobei der Leitfähigkeitsabschaltschwellwert (212) kleiner oder gleich 45 µS/cm ist, weiter vorzugsweise wobei der Leitfähigkeitsabschaltschwellwert (212) kleiner oder gleich 35 µS/cm ist.
Verfahren (300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, wobei das Absenken (308) der Temperatur des Kühlmittels umfasst: Reduzieren einer Abgabeleistung des Hochvoltsystems; Bewirken einer Wirkungsgradvertrimmung des Hochvoltsystems (100); Erhöhen einer Leistung der Kühlvorrichtung (130); Erhöhen eines Durchsatzes des Kühlmittels im Kühlkreislauf (106); und/oder Ändern einer Verteilung des Kühlmittels im Kühlmittelkreislauf (106).
Verfahren (300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, wobei das Hochvoltsystem (100) weiter umfasst: einen Ionenfilter (160); ein Dreiwegeventil (120), das konfiguriert ist, einen Kühlmittelfluss im Kühlmittelkreislauf (106) zu regeln; einen Ausgleichsbehälter (140), der konfiguriert ist, Druck- und/oder Volumenunterschiede im Kühlmittelkreislauf (106) auszugleichen; und/oder eine Pumpe (150), die konfiguriert ist, das Kühlmittel im Kühlmittelkreislauf (106) zu zirkulieren.
Verfahren (300) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, wobei das Hochvoltsystem (100) ein Brennstoffzellensystem beinhaltet.
System zur Leitwertreduzierung eines Kühlmittels in einem Hochvoltsystem, das System umfassend eine Steuereinheit (120), die konfiguriert ist zur Ausführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Fahrzeug, umfassend: ein Hochvoltsystem (100); und ein System nach Anspruch 9 zur Leitwertreduzierung in dem Hochvoltsystem (100).