DE102019216162A1 - Verfahren zum messen einer impedanz eines brennstoffzellenstapels im fahrzeug - Google Patents

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Abstract

Ein Verfahren zum Messen einer Impedanz eines Brennstoffzellenstapels in einem Fahrzeug während eines Fahrens des Fahrzeugs umfasst: Bestimmen, ob eine Impedanzmessung des Brennstoffzellenstapels während eines Fahrens des durch Leistung des Brennstoffzellenstapels angetriebenen Fahrzeugs angefordert wird; Ausschalten eines ersten Relais, das zwischen dem Brennstoffzellenstapel und einer von dem Brennstoffzellenstapel geladenen Batterie angeschlossen ist, wenn die Impedanzmessung des Brennstoffzellenstapels angefordert wird; Verbinden einer Stapellast mit dem Brennstoffzellenstapel über ein zweites Relais und Zuführen von Luft an den Brennstoffzellenstapel; und Messen der Impedanz des Brennstoffzellenstapels.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Messen einer Impedanz eines Brennstoffzellenstapels in einem Fahrzeug, insbesondere das Verfahren zum genauen Messen einer Impedanz des Brennstoffzellenstapels während eines Fahrens des Fahrzeugs.
  • Beschreibung des Standes der Technik
  • Im Allgemeinen stellt eine Impedanzmessung eines der Verfahren zum Bestimmen eines Zustandes eines Brennstoffzellenstapels dar. Physikalische Phänomene innerhalb des Brennstoffzellenstapels können durch Messen einer Impedanz für jedes Frequenzband bestimmt werden.
  • Es ist möglich, einen ohmschen Verlust durch Schätzen einer Wassermenge in dem Brennstoffzellenstapel in einem hohen Frequenzbereich zu bewerten. Darüber hinaus ist es möglich, Eigenschaften eines Stoffübergangsverlustes in einer Kathodenkatalysatorschicht und einer Gasdiffusionsschicht der Brennstoffzelle in einem niedrigen Frequenzbereich abzuschätzen. Ferner ist es möglich, einen Aktivierungsverlust einschließlich der Wasserstoffionenmigration und der elektrochemischen Reaktionseigenschaften in einer porösen Katalysatorschicht der Brennstoffzelle in dem Bereich zwischen dem Hochfrequenzbereich und dem Niederfrequenzbereich zu bewerten.
  • Im Allgemeinen wird eine Impedanz bei einem stationären Betriebspunkt (zum Beispiel konstantem Strom oder konstanter Spannung) des Brennstoffzellenstapels durch Anlegen eines kleinen Wechselstromsignals an einen Anschluss des Brennstoffzellenstapels für jedes Frequenzband und Verwenden einer Amplitude und Phasendifferenz eines entsprechenden Antwortsignals gemessen.
  • Während eines Fahrens eines Fahrzeugs besteht jedoch ein Problem dahingehend, dass es schwierig ist, die Leistung des Brennstoffzellenstapels bei einem vorgegebenen Betriebspunkt für eine Impedanzmessung in einen stationären Zustand zu bringen, und selbst wenn das Fahrzeug einen stationären Zustand erreicht, ist es schwierig, den Zustand aufrechtzuhalten.
  • Selbst wenn die Leistung des Brennstoffzellenstapels einen stationären Zustand bei einem vorgegebenen Betriebspunkt erreicht, besteht ein Problem darin, dass es schwierig ist, einen Impedanzwert des Brennstoffzellenstapels genau zu messen, da die Impedanz verschiedener peripherer Komponenten, die mit dem Brennstoffzellenstapel verbunden sind, einen Impedanzwert desselben beeinflusst. Demzufolge wird die Messgenauigkeit der Impedanz des Brennstoffzellenstapels verringert.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Demzufolge schlägt die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Messen einer Impedanz eines Brennstoffzellenstapels in einem Fahrzeug vor, wobei das Verfahren in der Lage ist, die Impedanz des Brennstoffzellenstapels während eines Fahrens eines Fahrzeugs genau zu messen.
  • Um das obige Ziel der vorliegenden Offenbarung zu erreichen, wird ein Verfahren zum Messen einer Impedanz eines Brennstoffzellenstapels in einem Fahrzeug bereitgestellt, das Verfahren umfassend: Bestimmen, ob eine Impedanzmessung des Brennstoffzellenstapels während eines Fahrens des durch Leistung des Brennstoffzellenstapels angetriebenen Fahrzeugs angefordert wird; Ausschalten eines ersten Relais, das zwischen dem Brennstoffzellenstapel und einer von dem Brennstoffzellenstapel geladenen Batterie angeschlossen ist, wenn die Impedanzmessung des Brennstoffzellenstapels angefordert wird; Verbinden einer Stapellast mit dem Brennstoffzellenstapel über ein zweites Relais und Zuführen von Luft an den Brennstoffzellenstapel; und Messen der Impedanz des Brennstoffzellenstapels.
  • Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Offenbarung kann, wenn die Impedanzmessung des Brennstoffzellenstapels nicht angefordert wird, das erste Relais eingeschaltet werden, so dass ein Ausgangsstrom des Brennstoffzellenstapels an die Batterie durch das erste Relais während eines Fahrens des Fahrzeugs zugeführt wird.
  • Zusätzlich kann gemäß dem Verfahren der vorliegenden Offenbarung, wenn es bestimmt wird, dass die Impedanzmessung des Brennstoffzellenstapels angefordert wird, ein Ladezustand (State of Charge - SoC) der Batterie durch einen Ausgangsstrom des Brennstoffzellenstapels auf einen ersten Referenzwert (α) angehoben werden, bevor das erste Relais ausgeschaltet wird.
  • Ein konstanter Luftdurchsatz wird an den Brennstoffzellenstapel zugeführt, indem die Stapellast verbunden und Luft an den Brennstoffzellenstapel zugeführt wird, so dass ein an die Stapellast zugeführter Ausgangsstrom des Brennstoffzellenstapels eine Amplitude innerhalb eines vorgegebenen Bereichs aufweisen kann. Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Offenbarung kann, wenn die Amplitude des Ausgangsstroms des Brennstoffzellenstapels von dem vorgegebenen Bereich abweicht, der an den Brennstoffzellenstapel zugeführte Luftdurchsatz gesteuert werden, so dass die Amplitude des Ausgangsstroms des Brennstoffzellenstapels derart gesteuert bzw. geregelt wird, dass sie innerhalb des vorgegebenen Bereichs liegt.
  • Beim Messen der Impedanz des Brennstoffzellenstapels kann der Ladezustand (SoC) der Batterie überwacht werden, während die Impedanz des Brennstoffzellenstapels für jedes eingestellte Frequenzband gemessen wird. Die Impedanzmessung des Brennstoffzellenstapels kann gestoppt werden, wenn der SoC der Batterie gleich oder unter einem zweiten Referenzwert ist, der um einen vorgegebenen Wert kleiner als der erste Referenzwert ist.
  • Gemäß dem Verfahren der vorliegenden Offenbarung kann das zweite Relais ausgeschaltet werden und das erste Relais kann eingeschaltet werden, wenn die Impedanzmessung des Brennstoffzellenstapels abgeschlossen ist. Um ein Abschmelzen der Relais zu verhindern, ist es bevorzugt, dass die Luftzufuhr an den Brennstoffzellenstapel unterbrochen wird, bevor das zweite Relais ausgeschaltet wird, und eine an einen Anschluss auf der Batterieseite des ersten Relais angelegte Spannung wird auf oder über einer Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels gehalten, bevor das erste Relais eingeschaltet wird.
  • Gemäß einem Verfahren zum Messen einer Impedanz eines Brennstoffzellenstapels in einem Fahrzeug gemäß der vorliegenden Offenbarung kann, wenn eine Impedanzmessung des Brennstoffzellenstapels angefordert wird, ein Ausgangsstrom des Brennstoffzellenstapels eine Amplitude innerhalb eines vorgegebenen Bereichs aufweisen, der als ein stationärer Zustand über einen bestimmten Zeitraum bestimmt wird. Demzufolge ist es möglich, eine Impedanz nur des Brennstoffzellenstapels mit Ausnahme der peripheren Komponenten des Brennstoffzellenstapels (periphere Stapelvorrichtungen) zu messen, und es ist möglich, eine Zeit zum Messen von Impedanzen verschiedene Frequenzbänder sicherzustellen.
  • Demzufolge kann gemäß dem Verfahren zum Messen einer Impedanz der vorliegenden Offenbarung eine Impedanz des Brennstoffzellenstapels für jeden erforderlichen Frequenzbereich genau gemessen werden.
  • Darüber hinaus wird ein nichtflüchtiges computerlesbares Medium bereitgestellt, dass Programmanweisungen enthält, die von einem Prozessor ausgeführt werden, wobei das computerlesbare Medium umfasst: Programmanweisungen, die bestimmen, ob eine Impedanzmessung eines Brennstoffzellenstapels während eines Fahrens eines durch Leistung des Brennstoffzellenstapels angetriebenen Fahrzeugs angefordert wird; Programmanweisungen, die ein erstes Relais, das zwischen dem Brennstoffzellenstapel und einer von dem Brennstoffzellenstapel geladenen Batterie angeschlossenen ist, ausschalten, wenn die Impedanzmessung des Brennstoffzellenstapels angefordert wird; Programmanweisungen, die eine Stapellast mit dem Brennstoffzellenstapel über ein zweites Relais verbinden und Luft an den Brennstoffzellenstapel zuführen; und Programmanweisungen, die eine Impedanz des Brennstoffzellenstapels messen.
  • Figurenliste
  • Die obigen und anderen Aufgaben, Merkmale und andere Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen klarer verständlich, in denen:
    • 1 einen Verbindungszustand eines Brennstoffzellenstapels und peripheren Stapelvorrichtungen während eines Fahrens eines Fahrzeugs darstellt;
    • 2 einen getrennten Zustand des Brennstoffzellenstapels und der peripheren Stapelvorrichtungen während einer Impedanzmessung darstellt;
    • 3 einen Zustand darstellt, in dem mehrere Lasten einzeln unter Verwendung verschiedener Relais mit dem Brennstoffzellenstapel verbunden sind;
    • 4 einen Steuerprozess zum Messen einer Impedanz des Brennstoffzellenstapels darstellt; und
    • 5 einen Betriebspunkt zum genauen Messen einer Impedanz des Brennstoffzellenstapels darstellt.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
  • Es versteht sich, dass der Ausdruck „Fahrzeug“ oder „Fahrzeug-“ oder andere gleichlautende Ausdrücke wie sie hierin verwendet werden, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen wie z.B. Personenkraftwagen einschließlich Sports Utility Vehicles (SUV), Busse, Lastwägen, verschiedene Nutzungsfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, einschließlich einer Vielfalt von Booten und Schiffen, Luftfahrzeugen und dergleichen einschließen, und Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-In-Hybridelektrofahrzeuge, wasserstoffgetriebene Fahrzeuge und andere Fahrzeuge mit alternativen Kraftstoff umfassen (beispielsweise Kraftstoff, der von anderen Quellen als Erdöl gewonnen wird). Wie hierin Bezug genommen wird, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, das zwei oder mehr Antriebsquellen aufweist, wie zum Beispiel sowohl benzinbetriebene als auch elektrisch angetriebene Fahrzeuge.
  • Die hierin verwendete Terminologie ist zum Zwecke der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen vorgesehen und ist nicht dazu bestimmt, die Erfindung einzuschränken. Wie hierin verwendet, sind die Singularformen „ein“, „eine/einer“ und „der/die/das“ dazu vorgesehen, dass sie ebenso die Pluralformen umfassen, wenn aus dem Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes hervorgeht. Es versteht sich ferner, dass die Ausdrücke „aufweisen“ und/oder „aufweisend“, wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, die Anwesenheit der angegebenen Merkmale, Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Komponenten beschreiben, aber nicht das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einen oder mehreren Merkmalen, Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließen. Wie hierin verwendet, umfasst der Ausdruck „und/oder“ jede und sämtliche Kombinationen von einem oder mehreren der zugeordneten aufgeführten Elemente. In der Beschreibung, wenn nicht ausdrücklich das Gegenteil beschrieben ist, werden das Wort „aufweisen/umfassen“ und Variationen wie „aufweist/umfasst“ oder „aufweisend/umfassend“ derart verstanden, dass dies die Einbeziehung der genannten Elemente aber nicht der Ausschluss von irgendwelchen anderen Elementen bedeutet. Darüber hinaus bedeuten die Begriffe „...Einheit“, „...-er“, „...-or“ und „...Modul“, die in der Beschreibung beschrieben werden, Einheiten zum Verarbeiten von zumindest einer Funktion und Operation, und können durch Hardware-Komponenten oder Software-Komponenten und Kombinationen derselben realisiert/implementiert werden.
  • Darüber hinaus kann die Steuerlogik der vorliegenden Erfindung als nichtflüchtige computerlesbare Medien auf einem computerlesbaren Medium ausgeführt werden, das ablauffähige Programmbefehle umfasst, die durch einen Prozessor, eine Steuerung/Steuereinheit oder dergleichen ausgeführt werden. Beispiele von computerlesbaren Speichermedien umfassen in nicht einschränkender Weise ROM, RAM, Compact-Disc (CD)-ROMs, Magnetbänder, Floppydisks, Flash-Laufwerke, Smart Cards und optische Datenspeichervorrichtungen. Das computerlesbare Aufzeichnungsmedium kann ebenfalls in netzgekoppelten Computersystemen dezentral angeordnet sein, so dass das computerlesbare Medium in einer verteilten Art und Weise gespeichert und ausgeführt wird, z.B. durch einen Telematik-Server oder ein Controller Area Network (CAN) .
  • Nachfolgend wird die vorliegende Offenbarung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, so dass die Offenbarung von einem Fachmann auf dem Gebiet, zu dem die Offenbarung gehört, leicht ausgeführt werden kann.
  • Um eine Impedanz eines Brennstoffzellenstapels eines Fahrzeugs zu messen, muss eine Leistung des Brennstoffzellenstapels einen stationären Zustand bei einem vorgegebenen Strom oder einer vorgegebenen Spannung erreichen. Mit anderen Worten muss, um eine Impedanz des in dem Fahrzeug vorgesehenen Brennstoffzellenstapels zu messen, die Leistung des Brennstoffzellenstapels einen konstanten Stromzustand, in dem die Leistung des Brennstoffzellenstapels auf einem vorgegebenen Stromwert gehalten wird, oder einen konstanten Spannungszustand, in dem die Leistung des Brennstoffzellenstapels auf einem vorgegebenen Spannungswert gehalten wird, erreichen.
  • Wie in 1 dargestellt, wenn ein Brennstoffstapel 1 in einem Fahrzeug vorgesehen ist, ist der Brennstoffstapel 1 mit verschiedenen peripheren Vorrichtungen (auch als Balance of Plant (BOP) bezeichnet) verbunden, wie beispielsweise: Eine Batterie 2, die durch den Ausgangsstrom des Brennstoffzellenstapels 1 geladen wird; ein Hochspannungs-DC-DC-Wandler (High Voltage DC-DC- Converter - HDC) 4, der eine elektrische Leistungsumwandlung beim Laden und Entladen der Batterie 2 durchführt; ein Niederspannungs-DC-DC-Wandler (Low Voltage DC-DC Converter - LDC) 5, der eine Umwandlung von an ein Luftgebläse 6, eine Kühlmittelpumpe 7 oder dergleichen zugeführten elektrischen Leistung durchführt; einen Motor 3, der ein Fahrzeug unter Verwendung der Batterie 2 als eine Energieversorgungsquelle antreibt; das Luftgebläse 6, das Luft an den Brennstoffzellenstapel 1 zuführt; und die Kühlmittelpumpe 7, die ein Kühlmittel an den Brennstoffzellenstapel 1 zuführt. Demzufolge ist es nicht einfach, die Impedanz des Brennstoffzellenstapels 1 während eines Fahrens des Fahrzeugs genau zu messen.
  • Darüber hinaus, selbst wenn eine Leistung des Brennstoffzellenstapels einen stationären Zustand bei einem vorgegebenen Strom oder eine vorgegebene Spannung erreicht und dann eine Impedanz des Brennstoffzellenstapels gemessen wird, umfassen die gemessenen Impedanzwerte eine Impedanz der peripheren Vorrichtungen, so dass die Genauigkeit eines Messens der Impedanz verringert ist.
  • Um eine Impedanz des Brennstoffzellenstapels genau zu messen, ist es demzufolge erforderlich, eine Impedanz des Brennstoffzellenstapels nur in einem stationären Zustand zu messen, in dem ein konstanter Strom von dem Brennstoffzellenstapel ausgegeben wird.
  • Darüber hinaus ist es wichtig, einen stationären Zustand aufrechtzuhalten, in dem ein konstanter Strom von dem Brennstoffzellenstapel für eine vorgegebene Zeit ausgegeben wird, um eine Impedanz für jedes Frequenzband zu messen, da es relativ lange dauert, eine Impedanz des Brennstoffzellenstapels in einem Niederfrequenzband zu messen.
  • Die vorliegende Offenbarung offenbart ein Verfahren zum genauen Messen einer Impedanz des Brennstoffzellenstapels 1 in einer Weise, dass der Einfluss der peripheren Stapelvorrichtungen beseitigt wird, indem der Strom des Brennstoffzellenstapels 1 derart gesteuert wird, dass er sich in einem stationären Zustand für einen vorgegebenen Zeitraum befindet, indem ein erstes Relais 11, eine Stapellast 14, ein zweites Relais 12 oder dergleichen verwendet werden, wobei das erste Relais (oder ein erstes Schaltkreisöffnungselement/Schaltkreisschließelement) 11 zwischen dem Brennstoffzellenstapel 1 und den peripheren Vorrichtungen des Brennstoffzellenstapels 1 (im Folgenden als periphere Stapelvorrichtungen bezeichnet) angeordnet ist; wobei die Stapellast 14 durch den als eine Energieversorgungsquelle dienenden Brennstoffzellenstapel 1 betrieben wird, und wobei das zweite Relais 14 zwischen dem Brennstoffzellenstapel 1 und der Stapellast 14 angeordnet ist.
  • Ein Steuersignal (Anweisungen/Befehle) das in einem Steuerprozess zum Messen einer Impedanz des Brennstoffzellenstapels 1 erzeugt wird, kann von einer fahrzeuginternen Steuerung (Controller), insbesondere einer Brennstoffzellensteuerung, die für die gesamte Steuerung des Brennstoffzellensystems verantwortlich ist, erzeugt werden.
  • Ein Verfahren zum Messen einer Impedanz eines Brennstoffzellenstapels gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst: Bestimmen, ob eine Impedanzmessung des Brennstoffzellenstapels 1 während eines Fahrens eines durch Leistung des Brennstoffzellenstapels 1 angetriebenen Fahrzeugs angefordert wird; Stoppen einer Zufuhr von Luft an den Brennstoffzellenstapel 1 und Ausschalten des ersten Relais 11, das zwischen dem Brennstoffzellenstapel 1 und der Batterie 2 angeschlossen ist, wenn die Impedanzmessung des Brennstoffzellenstapels 1 angefordert wird; Verbinden der Stapellast 14 mit dem Brennstoffzellenstapel 1 über das zweite Relais 12 und erneutes Zuführen von Luft an den Brennstoffzellenstapel 1; und Messen der Impedanz des Brennstoffzellenstapels 1 durch einen Impedanzmesser 10, wenn ein Strom mit einer Amplitude innerhalb eines vorgegebenen Bereichs ausgegeben wird.
  • Hierbei kann jeder der obigen Schritte durch die Brennstoffzellensteuerung gesteuert werden.
  • Die Batterie 2 stellt eine der peripheren Stapelvorrichtungen dar. Die Batterie 2 wird durch von dem Brennstoffzellenstapel 1 erzeugter und ausgegebener Leistung geladen und versorgt den Motor 3 über den HDC 4, der eine erste Leistungsumwandlungsvorrichtung darstellt, mit einem Antriebsstrom. Der Motor 3 wird durch elektrische Leistung der Batterie 2 betrieben, die durch die erste Leistungsumwandlungsvorrichtung 4 zugeführt wird, so dass ein Fahrzeug von einer durch den Motor 3 erzeugten Antriebskraft angetrieben wird.
  • Der Impedanzmesser 10 ist mit einem Ausgangsanschluss des Brennstoffzellenstapels 1 verbunden und misst eine Impedanz des Brennstoffzellenstapels 1 unter einer vorgegebenen Betriebsbedingung (siehe 5), in der ein Ausgangsstrom oder eine Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 1 in einem konstanten Strom- oder einem konstanten Spannungszustand gehalten wird.
  • Der Brennstoffzellenstapel 1 wird durch das Brennstoffzellensystem mit Brennstoff (Wasserstoff und Luft) versorgt, um Elektrizität zum Laden der Batterie 2 oder für andere Funktionen zu erzeugen. Der Ausgangsanschluss des Brennstoffzellenstapels 1 kann mit einer Diode 13 versehen sein, die verhindert, dass ein Strom von den peripheren Stapelvorrichtungen zu dem Brennstoffzellenstapel 1 fließt. Die Diode 13 verhindert, dass ein zwischen dem Brennstoffzellenstapel 1 und dem ersten Relais 11 durch das erste Relais 11 fließender Strom zu dem Brennstoffzellenstapel 1 fließt.
  • Das erste Relais 11 ist zwischen dem Brennstoffzellenstapel 1 und den peripheren Stapelvorrichtungen einschließlich der Batterie 2 und dem Motor 3 vorgesehen. Das erste Relais 11 dient zum Öffnen und Schließen eines Stromkreises bzw. eines Schaltkreises, der zwischen den peripheren Stapelvorrichtungen und dem Brennstoffzellenstapel 1 angeschlossen ist. Die Brennstoffzellensteuerung steuert Ein-/Aus-Operationen des ersten Relais 11. Wenn das erste Relais 11 ausgeschaltet wird, wird die Zufuhr des von dem Brennstoffzellenstapel 1 zu den peripheren Stapelvorrichtungen fließenden Stromes unterbrochen (siehe 2).
  • Das zweite Relais 12 ist zwischen dem Brennstoffzellenstapel 1 und der Stapellast 14 vorgesehen und arbeitet derart, dass ein zwischen dem Brennstoffzellenstapel 1 und der Stapellast 14 angeschlossener Schaltkreis geöffnet und geschlossen wird. Die Brennstoffzellensteuerung steuert Ein-/Aus-Vorgänge des zweiten Relais 12. Wenn das zweite Relais 12 eingeschaltet wird, wird der Ausgangsstrom des Brennstoffzellenstapels 1 an die Stapellast 14 zugeführt. Zu diesem Zeitpunkt wird der Ausgangsstrom des Brennstoffzellenstapels 1 direkt an die Stapellast 14 ohne Umwandlung zugeführt.
  • Hierbei kann die Stapellast 14 als eine Kathodensauerstoffverarmungs- (Cathode Oxygen Depletion - COD) Heizvorrichtung vorgesehen sein, die eine Funktion zum schnellen Erwärmen bzw. Erhitzen eines an den Brennstoffzellenstapel zugeführten Kühlmittels beim Kaltstart eines Fahrzeugs und eine Funktion zum Beseitigen von verbleibendem Sauerstoff in dem Brennstoffzellenstapel beim Starten oder Abstellen eines Fahrzeugs aufweist. Die Stapellast 14 kann jedoch nicht als eine COD-Heizvorrichtung vorgesehen sein. Jede andere Komponente kann als die Stapellast 14 verwendet werden, vorausgesetzt, dass die Komponente einen Ausgangsstrom und eine Ausgangsspannung in einem stationären Zustand in dem Brennstoffzellenstapel 1 aufrechterhalten kann.
  • Darüber hinaus kann die Stapellast 14 aus mehreren Lasten bestehen, die parallel geschaltet sind. Die mehreren Lasten können selektiv über verschiedene Relais (d.h. Öffnungs-/Schließelemente eines Schaltkreises) mit dem Brennstoffzellenstapel elektrisch verbunden sein. Insbesondere kann, wie in 3 dargestellt ist, die Stapellast 14 aus einer ersten Last 14a und einer zweiten Last 14b bestehen, die parallel geschaltet sind. Die erste Last 14a kann über ein zweites-erstes Relais 12a verbunden oder davon getrennt sein, und die zweite Last 14b kann über ein zweites-zweites Relais 12b mit dem Brennstoffzellenstapel 1 verbunden oder davon getrennt sein. Das heißt, die erste Last 14a und die zweite Last 14b können einzeln mit dem Brennstoffzellenstapel 1 durch das zweite-erste Relais 12a und das zweite-zweite Relais 12b verbunden sein.
  • Wie oben beschrieben, ist es möglich, die mehreren Lasten 14a und 14b, die mit dem Brennstoffzellenstapel 1 verbunden sind, unter Verwendung einer Vorrichtung wie eines Relais derart anzusteuern, so dass die Last des Brennstoffzellenstapels 1 gesteuert wird, und somit kann eine Impedanz des Brennstoffzellenstapels 1 in verschiedenen Strombereichen gemessen werden.
  • Zusätzlich wird beim Fahren des Fahrzeugs das erste Relais 11 eingeschaltet, um die Leistung des Brennstoffzellenstapels 1 durch das erste Relais 11 an die Batterie 2 zuzuführen (siehe 1). Wenn das erste Relais 11 eingeschaltet wird, wird der zwischen dem Brennstoffzellenstapel 1 und der Batterie 2 angeschlossene Schaltkreis geschlossen, so dass der Ausgangsstrom des Brennstoffzellenstapels 1 durch die erste Leistungsumwandlungsvorrichtung 4 fließt und somit die Batterie 2 geladen wird.
  • Im Folgenden wird ein Prozess zum Messen einer Impedanz des Brennstoffzellenstapels gemäß der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf 4 beschrieben.
  • Wie in FIG. dargestellt, wird es bestimmt, ob die Impedanzmessung des Brennstoffzellenstapels 1 während eines Fahrens des Fahrzeugs angefordert wird (S10). Die Impedanzmessungsanforderung kann von dem Impedanzmesser 10 erzeugt werden und das Auftreten der Anforderung kann durch die Brennstoffzellensteuerung bestimmt werden.
  • Wenn es bestimmt wird, dass die Impedanzmessungsanforderung erzeugt wird, wird ein Ladezustand (SoC) der Batterie 2 mit einem eingestellten ersten Referenzwert (α) verglichen (S11). Wenn der SoC der Batterie 2 unter dem ersten Referenzwert (α) liegt, wird der SoC der Batterie 2 überwacht, während die Batterie 2 geladen wird. Das Laden der Batterie 2 wird fortgesetzt, bis der SoC der Batterie 2 den ersten Referenzwert (α) erreicht (S12). Das heißt, wenn die Impedanzmessung des Brennstoffzellenstapels 1 angefordert wird, geht der Impedanzmessung ein Erhöhen des SoC der Batterie 2 auf den ersten Referenzwert (α) voraus.
  • Wenn das erste Relais 11 während eines Fahrens des Fahrzeugs ausgeschaltet wird, müssen die peripheren Stapelvorrichtungen einschließlich des Motors 3 nur durch den verbleibenden der Batterie 2 betrieben werden (siehe 2). Demzufolge muss die Batterie 2 geladen werden, bevor das erste Relais 11 ausgeschaltet wird, um den SoC der Batterie 2 auf den ersten Referenzwert (α) sicherzustellen. Das Laden der Batterie 2 kann durch die Brennstoffzellensteuerung durchgeführt werden. Der erste Referenzwert (α) kann auf einen Wert gesetzt werden, der zum Betreiben der peripheren Stapelvorrichtungen einschließlich des Motors 3 erforderlich ist, ohne dass die Batterie 2 zusätzlich geladen werden muss, bis die Impedanzmessung abgeschlossen ist.
  • Nachdem der SoC der Batterie 2 den ersten Referenzwert (α) erreicht hat, wird es erneut bestimmt, ob die Impedanzmessung des Brennstoffzellenstapels 1 angefordert wird. Wenn die Impedanzmessung des Brennstoffzellenstapels 1 noch angefordert wird, wird das erste Relais 11 durch eine Anweisung der Brennstoffzellensteuerung ausgeschaltet (S13).
  • Die Luftzufuhr an den Brennstoffzellenstapel 1 durch die Brennstoffzellensteuerung kann gestoppt werden, bevor das erste Relais 11 ausgeschaltet wird, um ein Abschmelzen des ersten Relais 11 zu verhindern (S13).
  • Um ein Abschmelzen des ersten Relais 11 zu verhindern, wird es vor einem Ausschalten des ersten Relais bevorzugt, dass die Spannung des Brennstoffzellenstapels 1 niedriger als die Spannung eines Ausgangsanschlusses auf der Batterieseite des ersten Relais 11 ist. Um insbesondere eine Spannungsdifferenz zwischen dem Anschluss auf der Brennstoffzellenstapelseite des ersten Relais 11 und dem Anschluss auf der Batterieseite des ersten Relais 11 zu verhindern, wird es bevorzugt, dass die an den Anschluss auf der Brennstoffzellenstapelseite des ersten Relais 11 angelegte Spannung derart abgesenkt wird, dass sie gleich oder niedriger als die an den Anschluss auf der Batterieseite des ersten Relais 11 angelegte Spannung ist, und dann das erste Relais 11 ausgeschaltet wird. Durch Verhindern der Spannungsdifferenz ist es möglich, zu verhindern, dass der Strom versehentlich zu dem ersten Relais 11 fließt. Nachdem das erste Relais 11 ausgeschaltet ist, kann die an den Anschluss auf der Brennstoffzellenstapelseite angelegte Spannung angehoben werden.
  • Nachdem das erste Relais 11 ausgeschaltet ist, wird die Stapellast 14 durch das zweite Relais 12 elektrisch mit dem Brennstoffzellenstapel 1 verbunden und Luft wird an den Brennstoffzellenstapel 1 zugeführt (S14). Wenn das zweite Relais 12 eingeschaltet wird, wird der Strom des Brennstoffzellenstapels 1 an die Stapellast 14 zugeführt, so dass die Stapellast 14 angesteuert wird. Der Brennstoffzellenstapel 1 kann mit einem konstanten Luftdurchsatz versorgt werden, um Elektrizität zu erzeugen. Wenn der konstante Luftdurchsatz zugeführt wird, gibt der Brennstoffzellenstapel 1 einen statischen Strom aus. Das heißt, wenn der konstante Luftdurchsatz an den Brennstoffzellenstapel ein zugeführt wird, gibt der Brennstoffzellenstapel 1 einen Strom aus, der als ein stationärer Zustand bestimmt wird.
  • Ein konstanter Wasserstoffdurchsatz geht mit dem an den Brennstoffzellenstapel 1 zugeführten konstanten Luftdurchsatz einher. Zu diesem Zeitpunkt gibt der Brennstoffzellenstapel 1 einen kleinen Wechselstrom (Idc + iac) mit einer kleinen Amplitude (siehe 5) aus und der kleine Wechselstrom weist eine kleine Amplitude innerhalb eines vorgegebenen Bereichs auf, der als ein stationärer Zustand bestimmt wird.
  • Wenn eine Amplitude des Ausgangsstromes des Brennstoffzellenstapels von dem als ein stationärer Zustand bestimmten vorgegebenen Bereich abweicht, ist es schwierig, eine Impedanz des Brennstoffzellenstapels 1 genau zu messen.
  • Somit wird nach einem Starten der Luftzufuhr an den Brennstoffzellenstapel 1 der Ausgangsstrom des Brennstoffzellenstapels 1 überwacht. Wenn festgestellt wird, dass die Amplitude des Ausgangsstroms außerhalb des vorgegebenen Bereichs liegt, wird die an den Brennstoffzellenstapel 1 zugeführte Luftmenge derart gesteuert, dass die Amplitude des Ausgangsstroms innerhalb des vorgegebenen Bereichs liegt. Während die Brennstoffzellensteuerung die Luftzufuhrmenge und die Wasserstoffzufuhrmenge steuert, wird die an den Brennstoffzellenstapel 1 zugeführte Luftmenge gesteuert.
  • Wenn der Brennstoffzellenstapel 1 beginnt, Elektrizität unter Verwendung des zugeführten konstanten Luftdurchsatzes zu erzeugen, wird die Impedanzmessung des Brennstoffzellenstapels 1 auf der Grundlage des Ausgangsstroms des Brennstoffzellenstapels 1 gestartet (S15). Hierbei wird die Impedanz des Brennstoffzellenstapels 1 für jedes eingestellte Frequenzband gemessen und jedes Frequenzband, bei dem die Impedanzmessung des Brennstoffzellenstapels 1 erforderlich ist, kann voreingestellt und in der Brennstoffzellensteuerung gespeichert werden.
  • Das Fahrzeug wird sogar betrieben, während die Impedanz des Brennstoffzellenstapels 1 gemessen wird, wobei der SoC der Batterie 2 allmählich verringert wird. Um den SoC der Batterie 2 zu überprüfen, wird demzufolge der SoC der Batterie 2 in Echtzeit durch die Brennstoffzellensteuerung während eines Messens der Impedanz des Brennstoffzellenstapels 1 überwacht. Insbesondere während der Messung der Impedanz des Brennstoffzellenstapels 1 wird der SoC der Batterie 2 kontinuierlich und wiederholt mit einem zweiten Referenzwert (β) verglichen (S16). Wenn der SoC der Batterie 2 unter dem zweiten Referenzwert (β) liegt, wird der Betrieb zum Messen der Impedanz des Brennstoffzellenstapels 1 (d.h., der Betrieb des Impedanzmessers) umgehend gestoppt.
  • Der zweite Referenzwert (β) kann auf einen Wert eingestellt werden, der um einen vorgegebenen Wert oder mehr kleiner als der erste Referenzwert (α) ist, und in der Brennstoffzellensteuerung gespeichert werden. Darüber hinaus kann ein vorgegebener Wert, der bestimmt, dass die Fahrstabilität des Fahrzeugs verringert ist, als der zweite Referenzwert (β) verwendet werden.
  • Wenn die Impedanzmessung des Brennstoffzellenstapels 1 gestoppt oder abgeschlossen ist (S17), wird der Betrieb der Stapellast 14 gestoppt und das erste Relais wird eingeschaltet (S18). Das zweite Relais 12 kann ausgeschaltet werden, um den Betrieb der Stapellast 14 zu stoppen.
  • Um ein Abschmelzen der Relais zu verhindern, wenn der Betriebszustand des ersten Relais 11 und des zweiten Relais 12 umgeschaltet wird, wird es bevorzugt, dass eine an den Anschluss auf der Batterieseite angelegte Spannung auf oder über der Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels gehalten wird, bevor das erste Relais 11 eingeschaltet wird, und es wird bevorzugt, dass die Luftzufuhr an den Brennstoffzellenstapel 1 gestoppt wird, bevor das zweite Relais 12 ausgeschaltet wird. Die an den Anschluss auf der Batterieseite des ersten Relais 11 angelegte Spannung kann auf oder über der Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 1 gehalten werden, bevor ein Zustandswechsel des ersten Relais in den Ein-Zustand abgeschlossen ist. Das zweite Relais 12 kann vorübergehend ausgeschaltet werden, bevor ein Zustandswechsel des zweiten Relais 12 in den Aus-Zustand abgeschlossen ist.
  • Bevor das erste Relais 11 in den Ein-Zustand geschaltet wird, wird der Spannungswert des Anschlusses auf der Batterieseite des ersten Relais 11 auf oder über dem Ausgangsspannungswert des Brennstoffzellenstapels 1 gehalten, so dass es möglich ist, zu verhindern, dass versehentlich ein Strom zu dem ersten Relais 11 fließt.
  • Wie oben beschrieben, wird im Falle eines Messens einer Impedanz des Brennstoffzellenstapels das Fahrzeug nur durch die Leistung der Batterie angetrieben, während die Impedanz des Brennstoffzellenstapels gemessen wird. Darüber hinaus wird der Ausgangsstrom des Brennstoffzellenstapels unter Verwendung der Stapellast in einem stationären Zustand auf einer konstanten Amplitude gehalten, während die Verbindung zwischen dem Brennstoffzellenstapel und den peripheren Stapelvorrichtungen gelöst wird. Durch Messen der Impedanz während des Betriebs des Brennstoffzellenstapels kann die Impedanz von nur dem Brennstoffzellenstapel genau gemessen werden, ohne von den peripheren Stapelvorrichtungen oder dergleichen beeinflusst zu werden.
  • Dar der Brennstoffzellenstapel einen stationären Strom für eine vorgegebene Zeit ausgibt, wird ferner eine Zeit zum Messen einer Impedanz in verschiedenen Frequenzbereichen sichergestellt.
  • Obwohl die Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zu Veranschaulichungszwecken beschrieben worden ist, wird der Fachmann erkennen, dass verschiedene Modifikationen, Hinzufügungen und Ersetzungen möglich sind, ohne von dem Umfang und der Lehre der Offenbarung abzuweichen, wie sie in den beigefügten Ansprüchen offenbart sind.

Claims (15)

  1. Verfahren zum Messen einer Impedanz eines Brennstoffzellenstapels in einem Fahrzeug, das Verfahren aufweisend: Bestimmen durch eine Steuerung, ob eine Impedanzmessung des Brennstoffzellenstapels während eines Fahrens des durch Leistung des Brennstoffzellenstapels angetriebenen Fahrzeugs angefordert wird; Ausschalten eines ersten Relais, das zwischen dem Brennstoffzellenstapel und einer von dem Brennstoffzellenstapel geladenen Batterie angeschlossen ist, durch die Steuerung, wenn die Impedanzmessung des Brennstoffzellenstapels angefordert wird; Verbinden einer Stapellast mit dem Brennstoffzellenstapel über ein zweites Relais durch die Steuerung und Zuführen von Luft an den Brennstoffzellenstapel; und Messen der Impedanz des Brennstoffzellenstapels durch die Steuerung.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei, wenn die Impedanzmessung des Brennstoffzellenstapels nicht angefordert wird, das erste Relais eingeschaltet wird, so dass ein Ausgangsstrom des Brennstoffzellenstapels an die Batterie durch das erste Relais während eines Fahrens des Fahrzeugs zugeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei, wenn die Impedanzmessung des Brennstoffzellenstapels angefordert wird, ein Ladezustand (State of Charge - SoC) der Batterie durch einen Ausgangsstrom des Brennstoffzellenstapels auf einen ersten Referenzwert angehoben wird, bevor das erste Relais ausgeschaltet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei beim Ausschalten des ersten Relais die Luftzufuhr an den Brennstoffzellenstapel unterbrochen wird, bevor das erste Relais ausgeschaltet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei beim Ausschalten des ersten Relais eine Spannung des Brennstoffzellenstapels auf eine Spannung gesenkt wird, die niedriger als eine Spannung eines Anschlusses auf eine Batterieseite des ersten Relais ist, bevor das erste Relais ausgeschaltet wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein konstanter Luftdurchsatz an den Brennstoffzellenstapel zugeführt wird, indem die Stapellast verbunden und Luft an den Brennstoffzellenstapel zugeführt wird, so dass ein an die Stapellast zugeführter Ausgangsstrom des Brennstoffzellenstapels eine Amplitude innerhalb eines vorgegebenen Bereichs aufweist.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei, wenn die Amplitude des Ausgangsstroms des Brennstoffzellenstapels von dem vorgegebenen Bereich abweicht, der an den Brennstoffzellenstapel zugeführte Luftdurchsatz gesteuert wird, so dass die Amplitude des Ausgangsstroms des Brennstoffzellenstapels derart gesteuert wird, dass sie innerhalb des vorgegebenen Bereichs liegt.
  8. Verfahren nach Anspruch 3, wobei beim Messen der Impedanz des Brennstoffzellenstapels der Ladezustand (SoC) der Batterie überwacht wird, während die Impedanz des Brennstoffzellenstapels für jedes eingestellte Frequenzband gemessen wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Impedanzmessung des Brennstoffzellenstapels gestoppt wird, wenn der SoC der Batterie gleich oder unter einem zweiten Referenzwert ist, der um einen vorgegebenen Wert kleiner als der erste Referenzwert ist.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das zweite Relais ausgeschaltet wird und das erste Relais eingeschaltet wird, wenn die Impedanzmessung des Brennstoffzellenstapels abgeschlossen ist.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Luftzufuhr an den Brennstoffzellenstapel unterbrochen wird, bevor das zweite Relais ausgeschaltet wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 10, wobei eine an einen Anschluss auf der Batterieseite des ersten Relais angelegte Spannung auf oder über eine Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels gehalten wird, bevor das erste Relais eingeschaltet wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Stapellast aus mehreren parallel geschalteten Lasten zusammengesetzt ist und die mehreren Lasten über verschiedene Relais selektiv mit dem Brennstoffzellenstapel verbunden sind.
  14. Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Diode zwischen dem Brennstoffzellenstapel und dem ersten Relais vorgesehen ist, um zu verhindern, dass Strom zu dem Brennstoffzellenstapel fließt.
  15. Nichtflüchtiges computerlesbares Medium, das Programmanweisungen enthält, die von einem Prozessor ausgeführt werden, das computerlesbare Medium aufweisend: Programmanweisungen, die bestimmen, ob eine Impedanzmessung eines Brennstoffzellenstapels während eines Fahrens eines durch Leistung des Brennstoffzellenstapels angetriebenen Fahrzeugs angefordert wird; Programmanweisungen, die ein erstes Relais, das zwischen dem Brennstoffzellenstapel und einer von dem Brennstoffzellenstapel geladenen Batterie angeschlossenen ist, ausschalten, wenn die Impedanzmessung des Brennstoffzellenstapels angefordert wird; Programmanweisungen, die eine Stapellast mit dem Brennstoffzellenstapel über ein zweites Relais verbinden und Luft an den Brennstoffzellenstapel zuführen; und Programmanweisungen, die eine Impedanz des Brennstoffzellenstapels messen.
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