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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Identifizierung einer Ursache für einen Kühlleistungsverlust in einem einen Kühler aufweisenden Kühlmittelkreislauf eines Kraftfahrzeugs. Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug.
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In den Druckschriften
JP 2002 271 914 A ,
JP 2005 150 019 A und
JP 2014 049 337 A sind Brennstoffzellenvorrichtungen mit Kühlkreisläufen beschrieben, dessen Kühlkapazität sich einstellen bzw. bestimmen läßt.
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Die Kühlmittelkreisläufe und der darin eingebundene Kühler (Hauptwasserkühler) verlieren über die Lebensdauer etwas an Kühlleistung. Dies führt zu einer Reduzierung der Fahrleistung eines Kraftfahrzeugs. Zudem kann eine Verstopfung auf der Kühlmittelseite des Kühlers zum Beispiel durch eine Gelbildung nur sehr schwer erkannt und berücksichtigt werden. Durch den eintretenden Kühlleistungsverlust erhöhen sich möglicherweise die Kühlmitteltemperaturen über die Lebenszeit einer Brennstoffzellenvorrichtung, wodurch diese einer beschleunigten Degradation unterliegen kann.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein Kraftfahrzeug anzugeben, die den vorstehend erwähnten Nachteilen Rechnung tragen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 9.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Identifizierung einer Ursache für einen Kühlleistungsverlust in einem einen Kühler aufweisenden Kühlmittelkreislauf eines Kraftfahrzeugs, bei dem der als Rekuperator gebildete Kühler eine erste Kühlmediumsseite, insbesondere eine Luftseite von einer mit dieser in wärmeleitender Verbindung stehenden zweiten Kühlmittelseite trennt, umfasst insbesondere die Schritte des Veränderns eines durch den Kühler geförderten Kühlmittelmassenstroms, des Prüfens, ob sich durch die Veränderung des Kühlmittelmassenstroms ein der Veränderung entsprechender Soll-Kühlmitteldruckverlust über den Kühler einstellt, und des Feststellens der Ursache für den Kühlleistungsverlust auf der ersten Kühlmediumsseite, insbesondere der Luftseite des Kühlers, wenn sich beim Verändern des Kühlmittelmassenstroms der Soll-Druckverlust einstellt oder höchstens um einen vorgegebenen Grenzbetrag von diesem abweicht, oder des Feststellens der Ursache für den Kühlleistungsverlust auf der zweiten Kühlmittelseite des Kühlers, wenn beim Verändern des Kühlmittelmassenstroms der Druckverlust mindestens um den vorgegebenen Grenzbetrag überschritten wird.
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Damit ist der Vorteil verbunden, dass eine Diagnose für die Ursache der sinkenden Kühlleistung ermöglicht ist, wobei gegebenenfalls von einem Benutzer des Fahrzeugs die Ursache selbsttätig behoben oder repariert werden kann, wenn die Ursache luftseitig vorliegt. Alternativ kann aber auch durch diese Diagnose eine kühlmittelseitige Ursache ans Licht treten, so dass geeignete Maßnahmen von Werkstattmitarbeitern ergriffen werden können, um dieser entgegenzuwirken.
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Um einen Kühlleistungsverlust zuverlässig feststellen zu können, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn zur Feststellung des Kühlleistungsverlusts ein stromab des Kühlers vorhandener Temperatursensor die Kühlmitteltemperatur ermittelt, welche mit errechneten Werten aus einem Soll-Kühlleistungsmodell verglichen wird. Alternativ oder ergänzend ist es möglich, dass auch stromauf des Kühlers eine Temperaturmessung mit einem Temperatursensor erfolgt, dessen Werte mit errechneten Werten aus dem Soll-Kühlleistungsmodell verglichen werden. Beim Einsatz eines stromauf und stromab angeordneten Temperatursensors lässt sich sogar eine vereinfachte Bestimmung der zugeführten Wärmemenge in das Kühlmittel vornehmen.
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Im Rahmen des Berechnens der Werte für die Soll-Kühlmittelleistung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Soll-Kühlleistungsmodell mindestens einen weiteren Parameter berücksichtigt, der ausgewählt ist aus einer Parametergruppe, umfassend eine Fahrzeuggeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs, einen Massenstrom, insbesondere einen Luftmassenstrom, auf der ersten Kühlmediumsseite, insbesondere auf der Luftseite, des Kühlers, eine Umgebungstemperatur, einen Umgebungsdruck, eine Veränderung der Fördergeschwindigkeit des Kühlmittels durch den Kühler und eine Kühlmitteltemperatur stromab eines Brennstoffzellenstapels. Durch Einbeziehung eines oder mehrerer der vorstehend erwähnten Parameter in das Soll-Kühlleistungmodell lässt sich eine hinreichend genaue, modellbasierte Bestimmung der Soll-Kühlleistung errechnen, die zur Steuerung und/oder Regelung des Kühlkreislaufs genutzt werden kann.
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Die Ist-Kühlleistung und die Soll-Kühlleistung können zur Bestimmung eines Kühlleistungsverlusts kontinuierlich erfolgen oder getaktet, beispielsweise im Kilometerabstand, da letzteres Rechenleistung einspart. Zugleich kann auch eine Mittelung über einen längeren Zeitraum der beiden Kühlleistungen erfolgen, um sie miteinander zu vergleichen. Ist eine vorgegebene Abweichung vorhanden, so kann daraus auf einen Kühlleistungsverlust geschlossen werden. Um Fehlbestimmungen eines Kühlleistungsverlustes zu vermeiden, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn ein Kühlleistungsverlust dann festgestellt wird, wenn eine Mindestabweichung aus einer Soll-Kühlleistung und einer Ist-Kühlleistung über eine vorgegebene Zeitdauer erfasst wird.
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Um einen Ist-Kühlmitteldruckverlust zu erfassen, um diesen mit einem Soll-Druckverlust über den Kühler vergleichen zu können, hat es sich als sinnvoll erwiesen, wenn der Ist-Kühlmitteldruckverlust über den Kühler mittels eines stromauf des Kühlers angeordneten ersten Drucksensors und mittels eines stromab des Kühlers angeordneten zweiten Drucksensors gemessen wird.
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Es ist von Vorteil, wenn die festgestellte Ursache in einer Datenbank eines Steuergeräts hinterlegt wird. Hierbei kann beispielsweise ein Fehlerspeichereintrag für den nächsten Service-Aufenthalt in einer Werkstatt erfolgen und gegebenenfalls entsprechende Maßnahmen zur Leistungsbegrenzung des Kraftfahrzeugs (Derating) ergriffen werden.
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Alternativ oder ergänzend ist die Möglichkeit vorhanden, dass eine Information über die Identifizierung der Ursache für den Kühlleistungsverlust auf der ersten Kühlmediumsseite, insbesondere der Luftseite an einem Ausgabegerät ausgegeben wird. Beispielsweise kann dieses Ausgabegerät das Display in einem Fahrgastraum des Kraftfahrzeugs sein, so dass dem Benutzer die Möglichkeit gegeben ist, eine luftseitige Ursache des Kühlleistungsverlusts gegebenenfalls selbst beseitigen zu können. Eine solche Ursache ist beispielsweise die äußere Verstopfung durch Schmutz oder durch Insekten, wobei auch andere Verblockungen des Kühlers luftseitig möglich sein können. Eine kühlmittelseitige Ursache für einen Kühlleistungsverlust kann dabei beispielsweise ein gealtertes Kühlmittel oder eine andersgeartete Verstopfung des Kühlkreislaufs sein, beispielsweise durch Gelbildung des Kühlmittels. Auch die kühlmittelseitige Ursache kann im Rahmen einer Information an dem Ausgabegerät ausgegeben werden.
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Es ist von Vorteil, wenn die Ausgangsleistung des Kühlmittelkreislaufs und/oder des Kraftfahrzeugs begrenzt wird, wenn die Ursache für den Kühlleistungsverlust auf der ersten Kühlmediumsseite, insbesondere der Luftseite des Kühlers identifiziert wurde. Dabei ist es von Vorteil, wenn ein stärkeres Derating des Kühlmittelkreislaufs und/oder des Kraftfahrzeugs vorgenommen wird, als dies der Fall ist, wenn eine kühlmittelseitige Ursache festgestellt wurde.
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Die in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Vorteile und vorteilhaften Ausgestaltungen gelten im gleichen Maße für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug. Dieses ist mit einem Kühlmittelkreislauf versehen, in den ein als Rekuperator gebildeter Kühler eingebunden ist, der eine Luftseite von einer mit dieser in wärmeleitender Verbindung stehenden Kühlmittelseite trennt und welches ein Steuergerät umfasst, das ausgebildet ist, zumindest eines der vorstehend erwähnten Verfahren durchzuführen.
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Als Kraftfahrzeug kommt dabei beispielsweise ein Brennstoffzellenfahrzeug, ein batteriebetriebenes Fahrzeug, oder auch Fahrzeuge mit einem anderen Antriebssystem in Betracht. Es weist den Vorteil einer dauerhaften Verfügbarkeit seiner Leistung und einer rechtzeitigen Fehlererkennung und gegebenenfalls Korrektur auf. Zusätzlich ist ein sicherer Fahrzeugbetrieb gegeben aufgrund der besseren Haltbarkeit der einzelnen Bauteile wie beispielsweise der in den Kühlmittelkreislauf eingebundenen Kühlmittelpumpe oder eines in den Kühlmittelkreislauf eingebundenen Brennstoffzellenstapels.
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Insbesondere Brennstoffzellensysteme sind über ihre Kühlung stark limitiert, so dass Froststartzustände, Personen, die mit hoher Geschwindigkeit fahren, oder Betriebszustände mit verstärkter Alterung zu Einschränkungen im Betrieb führen können, womit die Ergreifung geeigneter Maßnahmen zur Beseitigung der Ursachen für einen Kühlleistungsverlust zu einem verbesserten Brennstoffzellenfahrzeug führt. Auch können die fahrzeugspezifischen und/oder fahrerspezifischen Daten für das Steuergerät verfügbar sein, wobei diese vorzugsweise in das Soll-Kühlleistungsmodell einbezogen werden.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigt:
- 1 eine stark schematisierte Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einer einen Kühlmittelkreislauf aufweisenden Brennstoffzellenvorrichtung.
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In der 1 ist illustrativ der zur Erläuterung der Erfindung erforderliche Teil eines Kraftfahrzeugs 1 gezeigt, das rein exemplarisch vorliegend mit einer einen Brennstoffzellenstapel 2 umfassenden Brennstoffzellenvorrichtung ausgestattet ist. Die Brennstoffzellenvorrichtung umfasst einen Kühlmittelkreislauf 8 mit einem Kühler 4 zur Temperierung der Brennstoffzelle bzw. der Mehrzahl zu einem Brennstoffzellenstapel 2 zusammengefassten Brennstoffzellen.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf Brennstoffzellenfahrzeuge beschränkt sondern kann auch bei Kraftfahrzeugen mit anderen Antriebsarten Verwendung finden.
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Da in dem Brennstoffzellenstapel 2 mehrere Brennstoffzellen zusammengefasst sind, muss eine ausreichend große Menge an Kathodengas zur Verfügung gestellt werden, so dass durch einen Verdichter 3 ein großer Kathodengasmassenstrom bereitgestellt wird, wobei infolge der Komprimierung des Kathodengases sich dessen Temperatur stark erhöht. Die Konditionierung des Kathodengases, also dessen Einstellung hinsichtlich der im Brennstoffzellenstapel 2 gewünschten Parameter, erfolgt in einem nicht dargestellten Ladeluftkühler sowie in einem ebenfalls nicht dargestellten Befeuchter. Neben der Brennstoffzelle sind daher periphere Systemkomponenten erforderlich, die auch BOP-Komponenten (Balance-of-Plant-Komponenten) genannt werden.
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In der 1 ist der durch eine Mehrzahl von Brennstoffzellen gebildete Brennstoffzellenstapel 2 gezeigt, dem die Reaktanten zugeführt werden, damit im Brennstoffzellenstapel 2 kontrolliert die elektrochemische Reaktion zur Erzeugung elektrischer Energie ablaufen kann. Zur Regelung der Temperatur des Brennstoffzellenstapels 2 und dabei insbesondere zur Abfuhr der bei der elektrochemischen Reaktion erzeugten Wärme ist dem Brennstoffzellenstapel 2 der Kühlmittelkreislauf 8 mit dem Kühler 4 zugeordnet, so dass durch den Kühler 4 sichergestellt werden kann, dass die Kühlmitteltemperatur am Zulauf der Brennstoffzelle den gewünschten Wert aufweist. Das Kühlmittel wird beim Durchqueren des Brennstoffzellenstapels 2 erwärmt, so dass sich eine Temperaturerhöhung für das Kühlmittel ergibt, welches aufgrund der von einer Kühlmittelpumpe 11 bewirkten Zirkulation des Kühlmittels im Kühler 4 wieder heruntergekühlt wird.
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Der Kühler 4 ist als ein Rekuperator gebildet und weist vorliegend exemplarisch eine Luftseite auf, die durch eine mit dieser in wärmeleitender Verbindung stehenden Kühlmittelseite getrennt ist. Die Luftseite kann aber auch eine wasserkühlende Seite sein, so dass die Luftseite eine erste Kühlmediumsseite bildet.
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Die einzelnen Konstituenten des Kraftfahrzeugs 1 lassen sich durch das Steuergerät 6 steuern, das insbesondere ausgestaltet ist, ein Verfahren zur Identifizierung einer Ursache für einen Kühlleistungsverlust in dem Kühler 4, in dem Kühlmittelkreislauf 8 und damit bei der Brennstoffzellenvorrichtung selbst zu identifizieren. Dabei werden die folgenden Schritte durchlaufen:
- - Verändern eines durch den Kühler 4 geförderten Kühlmassenstroms,
- - Prüfen, ob sich durch die Veränderung des Kühlmittelmassenstroms ein der Veränderung entsprechender Soll-Kühlmitteldruckverlust über den Kühler 4 einstellt,
- - und Feststellen der Ursache für den Kühlleistungsverlust auf der Luftseite des Kühlers 4, wenn sich beim Verändern des Kühlmittelmassenstroms der Soll-Druckverlust einstellt oder höchstens um einen vorgegebenen Grenzbetrag von diesem abweicht, oder Feststellen der Ursache für den Kühlleistungsverlust auf der Kühlmittelseite des Kühlers 4, wenn beim Verändern des Kühlmittelmassenstroms der Soll-Druckverlust um den vorgegebenen Grenzbetrag überschritten wird.
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Für die Bestimmung eines Ist-Kühlmitteldruckverlusts, um diesen mit einem Soll-Kühlmitteldruckverlust vergleichen zu können, wird ein stromauf des Kühlers 4 angeordneter erster Drucksensor 7 und ein stromab des Kühlers angeordneter zweiter Drucksensor 9 in den Kühlmittelkreislauf 8 eingebunden. Im Rahmen des dabei durchgeführten Verfahrens wird die festgestellte Ursache, also die luftseitige Ursache oder die kühlmittelseitige Ursache des Kühlleistungsverlusts in einer Datenbank des Steuergeräts 6 hinterlegt. Vorzugsweise wird auch eine Information über die Identifizierung der Ursache für den Kühlleistungsverlust ausgegeben an einem nicht näher dargestellten Ausgabegerät, beispielsweise einem Display des Kraftfahrzeugs. Letzteres erfolgt insbesondere dann, wenn die Ursache für den Kühlleistungsverlust auf der Luftseite vorliegt, welche gegebenenfalls durch den Nutzer des Kraftfahrzeugs 1 selbst behoben werden kann, beispielsweise durch Reinigung der Kühllamellen von Schmutz, durch Verblockungen oder dergleichen. Um das Kraftfahrzeug 1 und dessen Konstituenten vor Beschädigungen schützen zu können, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn ein Derating erfolgt, so dass Überhitzungen wirksam vermieden sind.
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Um feststellen zu können, dass ein Kühlleistungsverlust vorliegt, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn ein stromab des Kühlers 4 vorhandener Temperatursensor 10 die Kühlmitteltemperatur ermittelt, welche mit errechneten Werten aus einem Soll-Kühlleistungsmodell verglichen wird. Alternativ oder ergänzend ist es auch möglich stromauf des Kühlers 4 eine Temperaturmessung mit einem Temperatursensor 5 durchzuführen, da damit auf eine einfache Weise die dem Kühlmittel zugeführte Wärmemenge ermittelbar ist. In diesem Zusammenhang ist die Möglichkeit gegeben, dass das Soll-Kühlleistungsmodell mindestens einen weiteren Parameter berücksichtigt, der ausgewählt ist, aus einer Parametergruppe umfassend eine Fahrzeuggeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs und damit des luftseitig einströmenden Fahrtwindes, damit einhergehend einen Luftmassenstrom auf der Luftseite des Kühlers 4, eine Umgebungstemperatur, einen Umgebungsdruck, eine Veränderung der Fördergeschwindigkeit des Kühlmittels durch den Kühler 4 und eine Kühlmitteltemperatur stromab des Brennstoffzellenstapels 2. Alle diese Parameter in einem einzigen Modell zu berücksichtigen ist von Vorteil, da dieses Modell dann sehr realitätsgetreu ist. Um jedoch etwaige singuläre Fehler der Detektion eines Kühlleistungsverlusts ausschließen zu können, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn ein Kühlleistungsverlust erst dann festgestellt wird, wenn eine Mindestabweichung aus einer Soll-Kühlleistung und einer Ist-Kühlleistung über eine vorgegebene Zeitdauer erfasst wird.
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In diesem Zusammenhang ist es von Vorteil - sowohl bei der Errechnung mittels eines Soll-Kühlleistungsmodells als auch bei der Bestimmung eines Kühlmitteldruckverlusts - wenn fahrerspezifische Daten für das Steuergerät 6 verfügbar sind, oder fahrzeugspezifische Daten für das Modell genutzt werden. Solche fahrzeugspezifischen Daten können auch durch die Betriebshistorie des Kraftfahrzeugs 1 gekennzeichnet sein.
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Insgesamt ist mit der vorliegenden Erfindung eine dauerhafte Verfügbarkeit der Leistung gegeben bei rechtzeitiger Fehlererkennung und gegebenenfalls Korrektur. Für das Kraftfahrzeug 1 ist ein sicherer Fahrzeugbetrieb geschaffen und jedes Bauteil wird durch die Erfindung weniger stark belastet betrieben.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kraftfahrzeug
- 2
- Brennstoffzellenstapel
- 3
- Verdichter
- 4
- Kühler
- 5
- Temperatursensor
- 6
- Steuergerät
- 7
- erster Drucksensor
- 8
- Kühlmittelkreislauf
- 9
- zweiter Drucksensor
- 10
- Temperatursensor
- 11
- Kühlmittelpumpe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2002271914 A [0002]
- JP 2005150019 A [0002]
- JP 2014049337 A [0002]
