DE102020110929A1

DE102020110929A1 - Verfahren zur Einprägung eines Signals in eine Brennstoffzellenanordnung

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Publication number: DE102020110929A1
Application number: DE102020110929.6A
Authority: DE
Inventors: Raúl Santiago Muñoz Aguila
Original assignee: AVL Software and Functions GmbH
Current assignee: AVL Software and Functions GmbH
Priority date: 2020-04-22
Filing date: 2020-04-22
Publication date: 2021-10-28
Anticipated expiration: 2040-04-23
Also published as: DE102020110929B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einprägung eines elektrischen Signals in eine aus mindestens einer Brennstoffzelle bestehenden Brennstoffzellenanordnung, zum Überwachen des Betriebszustandes der Brennstoffzellenanordnung mittels Oberwellenanalyse, umfassend die folgenden Schritte:a) Bestimmen eines Frequenzwertes anhand einer Resonanzfrequenz zumindest einer zweiten Schaltungsanordnung durch eine Kontrolleinheit;b) Übermitteln eines Steuersignals, umfassend den Frequenzwert, ausgehend von der Kontrolleinheit an eine erste Schaltungsanordnung;c) Ausgeben eines Einprägungssignals mit einer Frequenz entsprechend dem Frequenzwert in Antwort auf das Steuersignal durch die erste Schaltungsanordnung;d) Erzeugen einer Resonanzschwingung in der zumindest einen zweiten Schaltungsanordnung durch das Einprägungssignal;e) Einprägen des Einprägungssignals in die Brennstoffzellenanordnung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einprägung eines elektrischen Signals in eine aus mindestens einer Brennstoffzelle bestehenden Brennstoffzellenanordnung, zum Überwachen des Betriebszustandes der Brennstoffzellenanordnung mittels Oberwellenanalyse sowie ein Verfahren zum Überwachen des Betriebszustandes der Brennstoffzellenanordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung.
Bekannte Brennstoffzellenanordnungen, auch Brennstoffzellenstapel genannt, bestehen für gewöhnlich aus einer Vielzahl von in Serie verschalteten Brennstoffzellen, um eine für die jeweilige Anwendung benötigte Leistung zur Verfügung stellen zu können. Bei einer solchen Reihenschaltung besteht anordnungsbedingt immer das Risiko, dass ein Fehler oder ein Defekt einer einzelnen Brennstoffzelle zum Ausfall der gesamten Brennstoffzellenanordnung führen kann. Daher ist es in der Produktion sowie im Betrieb der Brennstoffzellen und Brennstoffzellenanordnungen von großer Bedeutung, deren Funktionalität bzw. Betriebszustand sicherzustellen und zu überwachen.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass zur Überprüfung der Brennstoffzellen, unter anderem die Zellspannung jeder einzelnen Zelle gemessen wird. Dieses Verfahren der Einzelzellspannungsmessung erfordert einen großen Aufwand für die notwendige Verdrahtung und ist aufgrund der vielen verwendeten Bauteile platz- und kostenintensiv. Des Weiteren kann der Betriebszustand einer Brennstoffzellenanordnung mittels der sogenannten Impedanzspektroskopie ermittelt werden. Dabei wird die komplexe Impedanz der Brennstoffzellenanordnung über einen bestimmten Frequenzbereich gemessen und mit entsprechenden Referenzkurven verglichen. Die verwendeten Referenzkurven müssen für jede Brennstoffzelle bzw. jede Brennstoffzellenanordnung und für sämtliche auftretenden Betriebszustände bekannt sein, wodurch der Kosten und Zeitaufwand, insbesondere für große Stückzahlen, sehr hoch ist.
Aus diesem Grund wurden Verfahren und entsprechende Systeme entwickelt, die eine einfache, schnelle und vor allem kostengünstige Möglichkeit bieten, den Betriebszustand einer Brennstoffzellenanordnung zu überwachen. Hierfür wird der Brennstoffzellenanordnung zumeist ein niederfrequentes Strom- oder Spannungssignal eingeprägt und aus einer Änderung des Oberwellenanteils des sich ergebenden gemessenen Spannungs- oder Stromsignals auf den Betriebszustand von Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels geschlossen. Fehlerhafte Betriebszustände einzelner Brennstoffzellen führen zu Nichtlinearitäten, die das sich ergebende gemessene Spannungs- oder Stromsignal verzerren und Oberwellen erzeugen, wobei anhand des Vorhandenseins von Oberwellen bzw. eines erhöhten Oberwellenanteils (auch Klirrfaktor) ein fehlerhafter Betriebszustand erkennbar ist. Das einzuprägende niederfrequente Strom- oder Spannungssignal wird gewöhnlich durch den Gleichspannungswandler erzeugt bzw. bereitgestellt, der auch die durch die Brennstoffzellenanordnung erzeugte Gleichspannung entsprechend der weiteren Nutzung wandelt.
Sollen nun aus Gründen der besseren Auswertbarkeit des Oberwellenanteils oder der Einprägung des Strom- oder Spannungssignals in eine Brennstoffzellenanordnung mit hoher Betriebslast auch hochfrequente Strom- oder Spannungssignale in die Brennstoffzellenanordnung eingeprägt werden, kann dies von dem Gleichspannungswandler für gewöhnlich nicht mit ausreichender Leistung gewährleistet werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches die genannten Nachteile des Standes der Technik überwindet.
Diese Aufgabe wird gelöst von einem Verfahren zur Einprägung eines elektrischen Signals in eine aus mindestens einer Brennstoffzelle bestehenden Brennstoffzellenanordnung, zum Überwachen des Betriebszustandes der Brennstoffzellenanordnung mittels Oberwellenanalyse, umfassend die folgenden Schritte:

a) Bestimmen eines Frequenzwertes anhand einer Resonanzfrequenz zumindest einer zweiten Schaltungsanordnung durch eine Kontrolleinheit;
b) Übermitteln eines Steuersignals, umfassend den Frequenzwert, ausgehend von der Kontrolleinheit an eine erste Schaltungsanordnung;
c) Ausgeben eines Einprägungssignals mit einer Frequenz entsprechend dem Frequenzwert in Antwort auf das Steuersignal durch die erste Schaltungsanordnung;
d) Erzeugen einer Resonanzschwingung in der zumindest einen zweiten Schaltungsanordnung durch das Einprägungssignal;
e) Einprägen des Einprägungssignals in die Brennstoffzellenanordnung.

Unter der Resonanzfrequenz der zweiten Schaltungsanordnung wird die Frequenz verstanden, bei der die Amplitude einer erzwungenen Schwingung ihren Maximalwert aufweist. Folglich reicht eine kleine anregende Kraft aus, um Schwingungen großer Amplitude hervorzurufen, wenn die Frequenz der Anregung der Resonanzfrequenz entspricht oder in einem Frequenzbereich um die Resonanzfrequenz liegt. Auf diese Weise können Signale mit einer Frequenz, die im Bereich um die Resonanzfrequenz liegt, verstärkt werden. Erfindungsgemäß wird also das Einprägungssignal, dessen Frequenz dem Frequenzwert entspricht, der basierend auf der Resonanzfrequenz, der zumindest einen zweiten Schaltungsanordnung bestimmt wird, verstärkt bzw. ist seine Amplitude im Wesentlichen maximal bzw. wird seine Schwingung im Wesentlichen nicht gedämpft bevor das Einprägungssignal in die Brennstoffzellenanordnung eingeprägt wird.
Unter einem Einprägen eines Signals in die Brennstoffzellenanordnung kann auch ein Einspeisen eines Signals in die Brennstoffzellenanordnung oder ein Überlagern der Betriebslast der Brennstoffzellenanordnung mit dem Signal verstanden werden. Weiter bevorzugt durchfließt bzw. passiert das eingeprägte elektrische Signal, insbesondere das Einprägungssignal (die von der ersten Schaltungsanordnung ausgegebenen Signale) die Brennstoffzellenanordnung. Bevorzugt entspricht das Einprägungssignal dem einzuprägenden elektrischen Signal.
Unter dem erfindungsgemäßen Bestimmen eines Frequenzwertes anhand einer Resonanzfrequenz zumindest einer zweiten Schaltungsanordnung durch eine Kontrolleinheit ist zu verstehen, dass der Kontrolleinheit die Resonanzfrequenz der zumindest einen zweiten Schaltungsanordnung bekannt ist und der Frequenzwert, der anschließend mittels des Steuersignals and die erste Schaltungsanordnung ausgegeben wird, dieser Frequenz im Wesentlichen entspricht. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass das Einprägungssignal, eine Frequenz entsprechend des Frequenzwertes, der der Resonanzfrequenz, der zumindest einen zweiten Schaltungsanordnung entspricht, aufweist, durch die zweite Schaltungsanordnung verstärkt wird bzw. eine Erregung des zweiten Schaltungsanordnung im Bereich seiner Resonanzfrequenz erfolgt und somit Resonanzschwingungen (erzwungene Schwingungen) erzeugt werden. Folglich kann das Einprägungssignal mit einer Frequenz, die der Resonanzfrequenz der zweiten Schaltungsanordnung entspricht, vor der Einprägung in die Brennstoffzellenanordnung verstärkt werden. Bevorzugt handelt es sich bei der zumindest einen zweiten Schaltungsanordnung um eine resonanzfähige elektrische Schaltung, die elektrische Schwingungen ausführen kann.
Durch das erfindungsgemäße Übermitteln des Steuersignals von der Kontrolleinheit an die erste Schaltungsanordnung, kann die erste Schaltungsanordnung bevorzugt durch die Kontrolleinheit gesteuert werden. Unter einer Steuerung der ersten Schaltungsanordnung durch die Kontrolleinheit wird erfindungsgemäß verstanden, dass die Frequenzen der durch die erste Schaltungsanordnung ausgegebenen Signale (Einprägungssignale) durch die Kontrolleinheit eingestellt wird. Ferner wird die erste Schaltungsanordnung durch die Kontrolleinheit derart angesteuert, dass ein Zeitpunkt der Signalausgabe bestimmt wird. Folglich wird durch die Kontrolleinheit gesteuert, wann ein Signal von der ersten Schaltungsanordnung ausgegeben wird und welche Frequenz das ausgegebene Signal aufweist. Die erste Schaltungsanordnung wird hier auch bevorzugt als aktive Schaltungsanordnung bezeichnet, da durch diese aktiv, gesteuert durch die Kontrolleinheit, Signale ausgegeben werden und deren Frequenz eingestellt wird.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt darin, dass ein verhältnismäßig schwaches Einprägungssignal mit einer Frequenz aufgrund der Resonanz der zweiten Schaltungsanordnung bei dieser Frequenz verstärkt wird. Dies ist insbesondere bei einer Einprägung von hohen Frequenzen in die Brennstoffzellenanordnung von Vorteil, da diese bisher, wie oben erwähnt, mittels des Gleichspannungswandlers nicht effektiv genug eingeprägt werden konnten, um eine verlässliche Oberwellenanalyse oder Klirrfaktoranalyse durchführen zu können. Somit kann ohne großen Aufwand bzw. Bauteilebedarf gewährleistet werden, dass Einprägungssignale mit geringer Amplitude, insbesondere bei höheren Frequenzen, durch die Verstärkung mittels der zweiten Schaltungsanordnung in die Brennstoffzellenanordnung eingeprägt werden können. Beispielsweise wird die Spannung der Brennstoffzellenanordnung gemessen, in die das Einprägungssignal eingeprägt wird und bevorzugt eine FourierTransformation durchgeführt. Anhand der bekannten Frequenz des Einprägungssignals können davon ausgehende Oberschwingungen, die durch Nichtlinearitäten aufgrund von Betriebszustandsstörungen der Brennstoffzellen verursacht werden, identifiziert werden. Das Verhältnis aus der Summe der Oberwellenanteile zur Grundfrequenz wird als Klirrfaktor bezeichnet und steht in Relation zum Grad der Verzerrung. Damit kann ein kritischer Betriebszustand der Brennstoffzellenanordnung identifiziert werden. Aus der Größe der Amplituden (Grundwelle inkl. Oberwellen) kann wiederum auf die Impedanz der Brennstoffzellenanordnung geschlossen werden. Weiter kann anhand der Form der erzeugten Oberwellen in bekannterweise auf die Art der Betriebszustandsstörung, wie eine Unterversorgung an Kathode bzw. Anode, Defekte an der Membran oder Elektrodenalterung, geschlossen werden.
Bevorzugt handelt es sich bei dem Einprägungssignal um ein elektrisches Signal, insbesondere um ein im Wesentlichen sinusförmiges Strom- oder Spannungssignal, welches die zweite Schaltungsvorrichtung periodisch erregt, wodurch mittels Messung von nur einer Spannung bzw. sehr wenigen Spannungen auf den Betriebszustand von einzelnen Brennstoffzellen geschlossen werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die zumindest eine zweite Schaltungsanordnung als Reihenschwingkreis (auch Serienschwingkreis genannt) ausgebildet. Bevorzugt umfasst der Reihenschwingkreis dabei zumindest eine Induktivität (L) und eine Kapazität (C), die in Reihe verschaltet sind. In der Praxis werden Reihenschwingkreise, auch LC- Resonanzkreise genannt, mit diskreten Spulen und Kondensatoren oder Streifenleitungen ausgebaut, wobei auftretende Verluste im Ersatzschaltbild durch einen zusätzlichen in Reihe geschalteten ohmschen Widerstand (R) dargestellt werden. Reihenschwingkreise sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt und zeichnen sich dadurch aus, dass sie eine Resonanzfrequenz aufweisen, bei der sich die Induktivitäten und die Kapazitäten kompensieren und nur noch die Widerstände wirksam sind, d.h. die Impedanz der Reihenschaltung weist bei der Resonanzfrequenz einen Minimalwert auf. Folglich kann bei der Resonanzfrequenz ein maximaler Strom durch den Reihenschwingkreis fließen bzw. ist die Amplitude des Stroms bei der Resonanzfrequenz maximal. Die Resonanzfrequenz hängt von der Induktivität und der Kapazität ab und kann durch deren Auswahl bestimmt/beeinflusst werden. Daher kann die zumindest eine zweite Schaltungsanordnung auch als passive Schaltungsanordnung bezeichnet werden, da deren Resonanzfrequenz durch die Bestimmung der Komponenten vorbestimmt oder vorbestimmbar ist. Somit kann das Einprägungssignal mit der Frequenz, die der Resonanzfrequenz der zumindest einen zweiten Schaltungsanordnung entspricht, die als Reihenschwingkreis ausgebildete zumindest eine zweite Schaltungsanordnung im Wesentlichen ungehindert/ungedämpft passieren und/oder in Schwingung (Resonanzschwingung) versetzen, wodurch das Einprägungssignal im Ergebnis verstärkt wird.
Bevorzugt können die erste Schaltungsanordnung und die zumindest eine zweite Schaltungsanordnung als Oszillator ausgebildet sein, insbesondere sind die erste Schaltungsanordnung und die zumindest eine zweite Schaltungsanordnung entsprechend ausgebildet bzw. verschaltet, um die Funktionalität eines Oszillators zu gewährleisten. Die Anordnung der ersten und der zumindest einen zweiten Schaltungsanordnung stellt bevorzugt einen LC-Oszillator dar, wobei bevorzugt die erste Schaltungsanordnung einen Verstärker und die zumindest eine zweite Schaltungsanordnung einen Serienschwingkreis darstellt. Der genaue Aufbau und das Funktionsprinzip eines LC-Oszillators sind aus dem Stand der Technik bekannt. Bevorzugt könnte angenommen werden, dass die erste Schaltungsanordnung, die einen Verstärker darstellt, und die zumindest eine zweite Schaltungsanordnung so ausgebildet sind, dass sich eine Mitkopplung (positive feedback) mit einer Schleifenverstärkung (loop gain) größer Eins ergibt. Weiter bevorzugt handelt es sich bei der Mitkopplung um eine selektive Mitkopplung, welche bei der Resonanzfrequenz der zumindest einen zweiten Schaltungsanordnung maximal ist. Bevorzugt wird das Einprägungssignal der ersten Schaltungsanordnung über die zumindest eine zweite Schaltungsanordnung (frequenzselektives Netzwerk) auf den Eingang der ersten Schaltungsanordnung zurückgekoppelt. Bevorzugt gibt es eine Frequenz, bei der die Schleifenverstärkung in der resultierenden Schleife betragsmäßig größer Eins und die Phase Null hat, wobei sich bei dieser Frequenz eine Schwingung aufbaut und wobei es sich bei dieser Frequenz bevorzugt um die Resonanzfrequenz der zumindest einen zweiten Schaltanordnung handelt. Bevorzugt ist die Mitkopplung bei der Resonanzfrequenz der zumindest einen zweiten Schaltanordnungen maximal. Insbesondere bevorzugt ist bei der Ausbildung eines Oszillators, insbesondere eines LC-Oszillators, die entsprechende Anordnung bzw. Verschaltung der ersten Schaltungsanordnung und der zumindest einen zweiten Schaltungsanordnung so ausgeführt, dass der Ausgang der ersten Schaltungsanordnung (über den die Signale ausgegeben werden) den Eingang der zumindest einen zweiten Schaltungsanordnung speist bzw. damit verbunden ist, wobei der Ausgang der zumindest einen zweiten Schaltungsanordnung mit dem Eingang der ersten Schaltungsanordnung verbunden (Rückkopplung) ist. Auf diese Weise kann ein Einprägungssignal, das durch die erste Schaltungsanordnung ausgegeben wird, mit einer Frequenz, die der Resonanzfrequenz, der zumindest einen zweiten Schaltungsanordnung entspricht, verstärkt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Frequenz des Einprägungssignals in einem Frequenzbereich, der durch eine obere und eine untere Grenzfrequenz ausgebildet ist, an welchen eine Referenzgröße, die bei der Resonanzfrequenz der zumindest einen zweiten Schaltungsanordnung ihren Maximalwert besitzt, einen Wert von 70 %, bevorzugt 75 %, weiter bevorzugt 85 %, besonders bevorzugt 95 % und insbesondere bevorzugt 100 % des Maximalwertes aufweist. Bei der Referenzgröße kann es sich beispielsweise um einen Strom, eine Leistung oder eine entsprechende Amplitude handeln. Diese Referenzgrößen weisen bei der Resonanzfrequenz ihren Maximalwert auf und fallen bei Frequenzen unterhalb und oberhalb der Resonanzfrequenz ab. Die Stärke des Abfalls hängt dabei von der Bandbreite der zumindest einen zweiten Schaltungsanordnung bzw. des Reihenschwingkreises ab, die durch die Größe des ohmschen Widerstandes R bestimmt wird. Durch die Wahl der Größe des Frequenzbereichs anhand der Referenzgröße kann sichergestellt werden, dass das Einprägungssignal eine Frequenz aufweisen, die die zumindest eine zweite Schaltungsanordnung noch ausreichend ungedämpft passieren können bzw. noch ausreichend verstärkt werden bzw. die zumindest eine zweite Schaltungsanordnung in Resonanzschwingung versetzen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die zumindest eine zweite Schaltungsanordnung eine Schalteinrichtung, die einen ersten Zustand oder einen zweiten Zustand aufweist. Bevorzugt wird die Schalteinrichtung durch die Kontrolleinheit reversibel von dem ersten Zustand in den zweiten Zustand und umgekehrt überführt. Die Kontrolleinheit ist also bevorzugt signaltechnisch mit der Schalteinrichtung und/oder der zumindest einen zweiten Schaltungsanordnung verbunden. Bevorzugt kann durch die Kontrolleinheit ein entsprechendes Steuersignal zur Änderung des Zustandes an die Schalteinrichtung übermittelt werden.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass das durch die erste Schaltungsanordnung ausgegebene Einprägungssignal die zumindest eine zweite Schaltungsanordnung passiert bzw. eine Resonanzschwingung erzeugt, wenn sich die Schalteinrichtung in dem ersten Zustand befindet und das durch die erste Schaltungsanordnung ausgegebene Einprägungssignal die zumindest eine zweite Schaltungsanordnung nicht passiert bzw. keine Resonanzschwingung erzeugt, wenn sich die Schalteinrichtung in dem zweiten Zustand befindet. Folglich fließt das Einprägungssignal, das durch die erste Schaltungsanordnung ausgegeben wird, nicht durch die zumindest eine zweite Schaltungsanordnung, wenn sich die Schalteinrichtung in dem zweiten Zustand befindet und wird auch nicht verstärkt. Somit kann die zumindest eine zweite Schaltungsanordnung selektiv hinzugeschaltet werden, wenn ein Einprägungssignal mit einer Frequenz entsprechend der Resonanzfrequenz der zumindest einen zweiten Schaltungsanordnung durch die erste Schaltungsanordnung ausgegeben wird und verstärkt werden soll, wobei die zumindest eine zweite Schaltungsanordnung ansonsten sozusagen abgeschaltet werden kann (zweiter Zustand), wenn kein entsprechendes Einprägungssignal ausgegeben wird.
Bevorzugt wird die Schaltungseinrichtung der zumindest einen zweiten Schaltungsanordnung durch die Kontrolleinheit, insbesondere bevorzugt mittels Übermitteln eines entsprechenden Steuersignals, in den ersten Zustand versetzt, wobei dies nach oder während einem der Schritte a), b) oder c) erfolgen kann. Dies erfolgt bevorzugt, wenn der durch die Kontrolleinheit bestimmte Frequenzwert bzw. die Frequenz des Einprägungssignals der Resonanzfrequenz der zumindest einen zweiten Schaltungsanordnung entspricht. Weiter bevorzugt wird die Schaltungseinrichtung der zumindest einen zweiten Schaltungsanordnung durch die Kontrolleinheit, insbesondere bevorzugt mittels Übermitteln eines entsprechenden Steuersignals, nach dem Schritt e) bzw. wenn das Einprägungssignal nicht mehr in die Brennstoffzellenanordnung eingeprägt wird, in den zweiten Zustand versetzt. Auf diese Weise kann die zumindest eine zweite Schaltungsanordnung je nach Bedarf an- und abgeschaltet werden und ist insbesondere sinnvoll, da durch die erste Schaltungsanordnung auch Einprägungssignale ausgegeben werden können, deren Frequenz nicht der Resonanzfrequenz der zumindest einen zweiten Schaltungsanordnung entspricht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Resonanzfrequenz der zumindest einen zweiten Schaltungsanordnung vor oder während dem Schritt a) durch die Kontrolleinheit ermittelt. Bevorzugt wird unter einem Ermitteln der Resonanzfrequenz durch die Kontrolleinheit, ein Abruf von bzw. ein Zugriff auf eine(r) gespeicherte(n) Resonanzfrequenz oder ein Berechnen der Resonanzfrequenz verstanden. Bevorzugt ist die Kontrolleinheit dazu ausgebildet, die Resonanzfrequenz der zumindest einen zweiten Schaltungsanordnung zu berechnen. Bevorzugt erfolgt die Berechnung der Resonanzfrequenz ausgehend von den vorgesehenen Komponenten der zumindest einen zweiten Schaltungsanordnung, wobei diese vorteilhaft manuell in die Kontrolleinheit eingegeben bzw. durch die Kontrolleinheit abgespeichert wird. Insbesondere ist bevorzugt, dass die Resonanzfrequenz durch die Kontrolleinheit anhand von mindestens einem Induktivitätswert einer Induktivität und einem Kapazitätswert einer Kapazität, welche die zumindest eine zweite Schaltungsanordnung aufweist, wenn diese als Serienschwingkreis ausgebildet ist, berechnet wird. Vorteilhaft wird dabei der aus dem Stand der Technik bekannte Zusammenhang zwischen Induktivität, Kapazität und der Resonanzfrequenz für Reihenschwingkreise verwendet. Bevorzugt werden die Werte der Induktivitäten und der Kapazitäten der zumindest einen zweiten Schaltungsanordnung durch die Kontrolleinheit abgespeichert. Somit kann die Kontrolleinheit variabel an die vorgesehene zweite Schaltungsanordnung und deren Resonanzfrequenz angepasst werden. Es wäre ferner denkbar, dass die Resonanzfrequenz der zumindest einen zweiten Schaltungsanordnung in die Kontrolleinheit eingegeben und abgespeichert bzw. durch die Kontrolleinheit gespeichert wird. Bei dieser Variante könnte die Resonanzfrequenz, welche durch die jeweiligen Komponenten der zumindest einen zweiten Schaltungsanordnung bestimmt sind, in der Kontrolleinheit abgespeichert werden, wodurch eine Berechnung der Resonanzfrequenz durch die Kontrolleinheit nicht mehr nötig wäre und somit Rechenleistung eingespart werden kann.
Bevorzugt wird die Resonanzfrequenz der zumindest einen zweiten Schaltungsanordnung oder die Komponenten, insbesondere die Werte der Induktivitäten und der Kapazitäten, der zumindest einen zweiten Schaltungsanordnung, durch die Kontrolleinheit abgespeichert, bevorzugt in einer Speichereinheit der Kontrolleinheit oder einer externen Speichereinheit, wobei die gespeicherten Informationen/Werte durch die Kontrolleinheit abgerufen werden können und für die Signalausgabe und/oder entsprechende Berechnungen durch die Kontrolleinheit verwendet werden können. Insbesondere bevorzugt kann durch die Kontrolleinheit auf die gespeicherte/berechnete Resonanzfrequenz der zumindest einen zweiten Schaltungsanordnung zum Bestimmen des Frequenzwertes im Schritt a) zugegriffen werden.
Ferner wäre es auch denkbar, dass die Kontrolleinheit dazu eingerichtet und dafür vorgesehen ist, die Resonanzfrequenz der zumindest einen zweiten Schaltungsanordnung oder die Werte der Induktivitäten und Kapazitäten der zumindest einen zweiten Schaltungsanordnung, wenn diese bevorzugt als Serienschwingkreis ausgebildet ist, zu messen und daraus gegebenenfalls die Resonanzfrequenz zu berechnen und bevorzugt abzuspeichern. Hierfür könnte beispielsweise die erste Schaltungsanordnung durch die Kontrolleinheit entsprechend gesteuert werden, um die Resonanzfrequenz durch geeignete Signalausgaben zu bestimmen und/oder es wäre mindestens eine Bestimmungs- bzw. Messeinheit vorgesehen, durch welche die Werte der Induktivitäten und Kapazitäten gemessen und an die Kontrolleinheit übermittelt werden, wobei die mindestens eine Bestimmungs- bzw. Messeinheit zumindest signaltechnisch mit der Kontrolleinheit und der mindestens einen zweiten Schaltungsanordnung verbunden ist. Diese bevorzugte Bestimmung könnte nur bei einer ersten Inbetriebnahme eines Systems zur Durchführung des Verfahrens oder auch durchgehendwährend dem Betrieb eine solchen Systems durchgeführt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Schaltungsanordnung innerhalb der Topologie eines Spannungswandlers angeordnet. Bevorzugt ist der Spannungswandler signaltechnisch mit der ersten Schaltungsanordnung verbunden. Bevorzugt ist der Spannungswandler auch mit der zweiten Schaltungsanordnung signaltechnisch verbunden. Bevorzugt ist die erste Schaltungsanordnung in dem Spannungswandler integriert. Bevorzugt handelt es sich bei dem Spannungswandler um einen Gleichspannungswandler der ebenfalls mit der Brennstoffzellenanordnung signaltechnisch verbunden ist. Somit ist es möglich die erste Schaltungsanordnung in dem Gleichspannungswandler zu integrieren, welcher die hohe Ausgangsspannung der Brennstoffzellenanordnung in die entsprechend benötigte Spannung umwandelt und für gewöhnlich immer zusammen mit der Brennstoffzellenanordnung angeordnet ist. Dies ermöglicht einen geringeren Platzbedarf und erleichtert die nachträgliche Installation eines entsprechenden Systems, wenn der Gleichspannungswandler bereits über die erste Schaltungsanordnung verfügt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird ein durch die Brennstoffzellenanordnung bereitgestelltes Gleichspannungs- oder Gleichstromsignal durch die erste Schaltungsanordnung zumindest teilweise in ein Wechselspannungs- oder Wechselstromsignal umgewandelt. Bevorzugt handelt es sich bei dem Wechselspannungs- oder Wechselstromsignal zumindest um das Einprägungssignal. Weiter bevorzugt wird die Frequenz des Wechselspannungs- oder Wechselstromsignals durch die Kontrolleinheit gemäß den Schritten a) bis b) bestimmt. Auf diese Weise muss keine weitere/externe Spannungsquelle angeordnet werden. Bevorzugt wird der Betriebsgleichspannung der Brennstoffzelle ein Wechselspannungs- oder Wechselstromsignal eingeprägt bzw. eingespeist.
Bevorzugt ist die erste Schaltungsanordnung innerhalb der Topologie eines Gleichspannungswandlers angeordnet. Bevorzugt kann die erste Schaltungsanordnung alternativ oder kumulativ in dem Gleichspannungswandler integriert sein. Weiter bevorzugt wird der Gleichspannungswandler durch die Kontrolleinheit gemäß den Schritten b) und c) des Verfahrens gesteuert. Ein aus dem Stand der Technik bekannter Gleichspannungswandler wird auch als DC-DC-Wandler oder DC-DC-Converter bezeichnet (Abkürzung DCDC) und stellt eine elektrische Schaltung dar, die eine am Eingang zugeführte Gleichspannung in eine Gleichspannung mit zur Eingangsspannung höherem, niedrigerem oder invertiertem Spannungsniveau umwandelt. Somit kann beispielsweise vorteilhaft der Gleichspannungswandler verwendet werden, welcher dazu eingerichtet und dafür vorgesehen ist, die Ausgangsspannung der Brennstoffzellenanordnung zu wandeln und folglich immer zusammen mit der Brennstoffzellenanordnung verbaut wird und zumindest signaltechnisch mit dieser verbunden ist. Auf diese Weise kann der bereits vorhandene Gelichspannungswandler als erste Schaltungsanordnung verwendet werden, wodurch dafür keine zusätzlichen Komponenten eingebaut werden müssen. Es wäre auch denkbar, dass die erste Schaltungsanordnung als Gleichspannungswandler ausgebildet ist. Bevorzugt wird die Funktionalität der Ausgabe des Einprägungssignals der ersten Schaltungsanordnung durch den Gleichspannungswandler übernommen. Besonders bevorzugt ist die erste Schaltungsanordnung als Spannungswandler, bevorzugt als Gleichspannungswandler, ausgebildet.
Bevorzugt ist ebenso denkbar, dass die erste Schaltungsanordnung separat bzw. eigenständig angeordnet ist. Bevorzugt ist die erste Schaltungsanordnung als Vierquadrantensteller mit vier Halbleiterschaltern ausgebildet, wobei die Halbleiterschalter durch die Kontrolleinheit gesteuert werden. Bevorzugt besteht der Vierquadrantensteller aus einer H-Brückenschaltung. Weiter bevorzugt sind die vier Halbleiterschalter als Transistoren, insbesondere als Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), ausgebildet. Über die Ansteuerung der Halbleiterschalter durch die Kontrolleinheit, ist die Frequenz der auszugebenden Signale bestimmbar. Aus dem Stand der Technik bekannte Vierquadrantensteller wandeln eine Gleichspannung in eine Wechselspannung mit variabler Frequenz und variabler Pulsbreite um und können auch Wechselspannungen unterschiedlicher Frequenzen in beiden Richtungen ineinander umwandeln. Die Ausbildung der ersten Schaltungsanordnung als eigenständige Komponente, unabhängig von dem obengenannten Gleichspannungswandler, ist besonders dann vorteilhaft, wenn der Gleichspannungswandler nicht geeignet ist, die Funktionen der ersten Schaltungsanordnung entsprechend zu gewährleisten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die erste Schaltungsanordnung und die zumindest eine zweite Schaltungsanordnung seriell oder parallel verschaltet und bilden zusammen eine übergeordnete Schaltungsanordnung aus, wobei die übergeordnete Schaltungsanordnung seriell oder parallel mit der Brennstoffzellenanordnung verschaltet ist. Bevorzugt wird bei einer parallelen Verschaltung der übergeordneten Schaltungsanordnung Spannungssignale in die Brennstoffzellenanordnung eingeprägt, wobei bei einer seriellen Verschaltung bevorzugt Stromsignale eingeprägt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist zumindest eine weitere zweite Schaltungsanordnung mit einer Resonanzfrequenz vorgesehen, wobei die zumindest eine zweite Schaltungsanordnung und die zumindest eine weitere zweite Schaltungsanordnung parallel verschaltet sind und die Resonanzfrequenz der zumindest einen zweiten Schaltungsanordnung und die Resonanzfrequenz der zumindest einen weiteren zweiten Schaltungsanordnung voneinander verschieden sind.
Bevorzugt wird in Schritt a), wenn die zumindest eine weitere zweite Schaltungsanordnung mit einer Resonanzfrequenz vorhanden ist, der Frequenzwert anhand der Resonanzfrequenz der zumindest einen zweiten Schaltungsanordnung oder der Resonanzfrequenz der zumindest einen weiteren zweiten Schaltungsanordnung durch die Kontrolleinheit bestimmt. Bevorzugt kann der Frequenzwert also der Resonanzfrequenz der zumindest einen zweiten Schaltungsanordnung oder der Resonanzfrequenz der zumindest einen weiteren zweiten Schaltungsanordnung entsprechen. Ferner bevorzugt wird im Schritt d) des Verfahrens durch das Einprägungssignal eine Resonanzfrequenz in der Schaltungsanordnung erzeugt, dessen Resonanzfrequenz der Frequenz des Einprägungssignals entspricht. Bevorzugt wird folglich eine Resonanzschwingung in der zumindest einen zweiten Schaltungsanordnung oder der zumindest einen weiteren zweiten Schaltungsanordnung durch das Einprägungssignal erzeugt, wobei dies abhängig von der Frequenz des Einprägungssignals ist. Durch das Vorsehen von zumindest zwei zweiten Schaltungsanordnungen mit zwei verschiedenen Resonanzfrequenzen ist es möglich, ein Einprägungssignal mit zwei unterschiedlichen Frequenzen verstärken zu können. Bevorzugt kann die Kontrolleinheit, beispielsweise abhängig von der momentanen Betriebslast der Brennstoffzellenanordnung, selbst festlegen, anhand welcher Resonanzfrequenz der Frequenzwert bestimmt wird.
Bevorzugt umfasst auch die zumindest eine weitere zweite Schaltungsanordnung eine Schalteinrichtung, die einen ersten Zustand oder einen zweiten Zustand aufweist, wobei die Schalteinrichtung durch die Kontrolleinheit reversibel von dem ersten Zustand in den zweiten Zustand und umgekehrt überführt wird. Die Kontrolleinheit ist also bevorzugt signaltechnisch mit der Schalteinrichtung und/oder der zumindest einen weiteren zweiten Schaltungsanordnung verbunden. Bevorzugt kann durch die Kontrolleinheit ein entsprechendes Steuersignal zur Änderung des Zustandes an die Schalteinrichtung übermittelt werden.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass das durch die erste Schaltungsanordnung ausgegebene Einprägungssignal die zumindest eine weitere zweite Schaltungsanordnung passiert bzw. eine Resonanzschwingung erzeugt, wenn sich die Schalteinrichtung in dem ersten Zustand befindet und das durch die erste Schaltungsanordnung ausgegebene Einprägungssignal die zumindest eine weitere zweite Schaltungsanordnung nicht passiert bzw. keine Resonanzschwingung erzeugt, wenn sich die Schalteinrichtung in dem zweiten Zustand befindet. Folglich fließt das Einprägungssignal, das durch die erste Schaltungsanordnung ausgegeben wird, nicht durch die zumindest eine weitere zweite Schaltungsanordnung, wenn sich die Schalteinrichtung in dem zweiten Zustand befindet und wird auch nicht verstärkt. Somit kann die zumindest eine weitere zweite Schaltungsanordnung selektiv hinzugeschaltet werden, wenn ein Einprägungssignal mit einer Frequenz entsprechend der Resonanzfrequenz der zumindest einen weiteren zweiten Schaltungsanordnung durch die erste Schaltungsanordnung ausgegeben wird und verstärkt werden soll, wobei die zumindest eine weitere zweite Schaltungsanordnung ansonsten sozusagen abgeschaltet werden kann (zweiter Zustand), wenn kein entsprechendes Einprägungssignal ausgegeben wird.
Bevorzugt wird die Schaltungseinrichtung der zumindest einen weiteren zweiten Schaltungsanordnung durch die Kontrolleinheit, insbesondere bevorzugt mittels Übermitteln eines entsprechenden Steuersignals, in den ersten Zustand versetzt, wobei dies nach oder während einem der Schritte a), b) oder c) erfolgen kann. Dies erfolgt bevorzugt, wenn der durch die Kontrolleinheit bestimmte Frequenzwert bzw. die Frequenz des Einprägungssignals der Resonanzfrequenz der zumindest einen weiteren zweiten Schaltungsanordnung entspricht. Weiter bevorzugt wird die Schaltungseinrichtung der zumindest einen weiteren zweiten Schaltungsanordnung durch die Kontrolleinheit, insbesondere bevorzugt mittels Übermitteln eines entsprechenden Steuersignals, nach dem Schritt e) bzw. wenn das Einprägungssignal nicht mehr in die Brennstoffzellenanordnung eingeprägt wird, in den zweiten Zustand versetzt. Auf diese Weise kann die zumindest eine weitere zweite Schaltungsanordnung je nach Bedarf an- und abgeschaltet werden und ist insbesondere sinnvoll, da durch die erste Schaltungsanordnung auch Einprägungssignale ausgegeben werden können, deren Frequenz nicht der Resonanzfrequenz der zumindest einen weiteren zweiten Schaltungsanordnung entspricht.
Bevorzugt wird durch die Kontrolleinheit nach dem Bestimmen des Frequenzwertes in Schritt a), die Schalteinrichtung der zumindest einen zweiten Schaltungsanordnung in den ersten Zustand versetzt, wenn der Frequenzwert anhand der Resonanzfrequenz der zumindest einen zweiten Schaltungsanordnung bestimmt wurde, oder die Schalteinrichtung der zumindest einen weiteren zweiten Schaltungsanordnung in den ersten Zustand versetzt, wenn der Frequenzwert anhand der Resonanzfrequenz der zumindest einen weiteren zweiten Schaltungsanordnung bestimmt wurde. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass durch das Einprägungssignal eine Resonanzschwingung, durch das Übereinstimmen der Frequenz des Einprägungssignals mit der Resonanzfrequenz der entsprechenden zweiten Schaltungsanordnung, erzeugt werden kann, da das Einprägungssignal die entsprechende zweite Schaltungsanordnung passieren kann.
Die oben beschriebenen Merkmale und Eigenschaften der zumindest einen zweiten Schaltungsanordnung sollen mutatis mutandis auch für die zumindest eine weitere zweite Schaltungsanordnung gelten. Ferner ist es denkbar, dass darüber hinaus noch weitere zweite Schaltungsanordnungen mit Resonanzfrequenzen vorgesehen sind, wobei die zweiten Schaltungsanordnungen jeweils parallel verschaltet sind und die Resonanzfrequenzen jeweils verschieden sind. Bevorzugt ist mindestens eine zweite Schaltungsanordnung, weiter bevorzugt sind mindestens zwei zweite Schaltungsanordnungen, besonders bevorzugt mindestens drei zweite Schaltungsanordnungen und insbesondere bevorzugt mindestens vier zweite Schaltungsanordnungen vorgesehen, wobei die Anzahl nicht darauf beschränkt sein soll. Bevorzugt gelten alle Ausführungen und beschriebenen Merkmale der zumindest einen zweiten Schaltungsanordnung und der zumindest einen weiteren zweiten Schaltungsanordnung sowie deren Verhalten zueinander für alle vorgesehenen zweiten Schaltungsanordnungen.
Bevorzugt können die durch die erste Schaltungsanordnung ausgegebenen Einprägungssignale einzeln oder als eine Überlagerung von mehreren Frequenzen, in die Brennstoffzellenanordnung eingeprägt werden. Weiter bevorzugt handelt es sich bei den durch die erste Schaltungsanordnung ausgegebenen Einprägungssignale um klirrfaktorarme Signale, wodurch eine Änderung des Klirrfaktors aufgrund von Nichtlinearitäten der Brennstoffzellenanordnung besser erkennbar ist.
Die Einprägungssignale, die durch die erste Schaltungsanordnung ausgegeben werden, können der Brennstoffzellenanordnung in Form eines kurzen Bursts oder als kontinuierliches Signal eingeprägt werden. Dies kann bevorzugt im Betriebszustand der Brennstoffzelle erfolgen.
Bevorzugt ist die erste Schaltungsanordnung, weiter dazu eingerichtet und dafür vorgesehen, mindestens ein weiteres Einprägungssignal mit einer Frequenz auszugeben und in die Brennstoffzellenanordnung einzuprägen. Bevorzugt unterscheidet sich diese Frequenz von den Resonanzfrequenzen der zweiten Schaltungsanordnungen bzw. entspricht die Frequenz keiner Resonanzfrequenz einer zweiten Schaltungsanordnung. Somit ist gewährleistet, dass die erste Schaltungsanordnung mehrere Einprägungssignale mit unterschiedlichen Frequenzen ausgeben und in die Brennstoffzellenanordnung einprägen kann, wodurch eine große Bandbreite der ersten Schaltungsanordnung in Bezug auf Einprägungssignale gewährleistet wird. Da die Frequenz keiner Resonanzfrequenz entspricht und keine Resonanzschwingung erzeugt, muss sie keine zweite Schaltungsanordnung passieren. Bevorzugt ist die dritte Frequenz niedriger als die Resonanzfrequenz der zumindest einen zweiten Schaltungsanordnung und/oder der zumindest einen weiteren zweiten Schaltungsanordnung, da insbesondere niedrige Frequenzen nicht notwendigerweise verstärkt werden müssen. Es ist ferner bevorzugt, dass die erste Schaltungsanordnung dazu eingerichtet und dafür vorgesehen ist, weitere Einprägungssignale mit jeweils unterschiedlichen Signalen auszugeben und in die Brennstoffzellenanordnung einzuspeisen, wobei die Signale keiner der Resonanzfrequenzen der vorgesehenen zweiten Schaltungsanordnungen entsprechen. Bevorzugt weist das Einprägungssignal mit einer Frequenz, die keiner Resonanzfrequenz einer der zweiten Schaltungsanordnungen entspricht, eine beliebige Form auf, wobei es sich beispielsweise um eine Sinus-, Dreiecks-, Sägezahn-, Rechtecks-, PWM-Form oder dergleichen oder auch um ein stochastisches oder binäres Signal handeln kann. Im Gegensatz zu Einprägungssignalen, die eine Frequenz aufweisen, die einer Resonanzfrequenz einer zweiten Schaltungsanordnung entspricht und verstärkt werden sollen, wodurch eine periodische, insbesondere sinusförmige Ausgestaltung aufgrund einer periodischen Anregung bevorzugt ist, ist die Form für die Einprägungssignale mit anderen Frequenzen nicht in dem Maße relevant und kann variabel sein. Bevorzugt werden durch die Kontrolleinheit die Schalteinrichtungen der vorgesehenen zweiten Schaltungsanordnungen in den zweiten Zustand versetzt oder die Schalteinrichtungen der vorgesehenen zweiten Schaltungsanordnungen im zweiten Zustand belassen, wenn ein Einprägungssignal durch die erste Schaltungsanordnung ausgegeben wird, dessen Frequenz keiner Resonanzfrequenz einer der vorgesehenen zweiten Schaltungsanordnungen entspricht.
Die Aufgabe wird ferner gelöst von einem Verfahren zum Überwachen des Betriebszustandes einer aus mindestens einer Brennstoffzelle bestehenden Brennstoffzellenanordnung, umfassend die Schritte:

a1) Einprägen eines elektrischen Signals in eine aus mindestens einer Brennstoffzelle bestehenden Brennstoffzellenanordnung gemäß dem Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9;
b1) Messen eines sich ergebenden elektrischen Signals durch eine Messeinheit;
c1) Bestimmen einer Änderung des Oberwellenanteils des elektrischen Signals durch eine Auswerteeinheit, wobei anhand der Änderung des Oberwellenanteils auf den Betriebszustand der mindestens einen Brennstoffzelle und/oder der Brennstoffzellenanordnung geschlossen wird.

Bevorzugt ist die Auswerteeinheit dazu eingerichtet und dafür vorgesehen, eine Oberwellenanalyse oder Klirrfaktoranalyse durchzuführen, um auf den Betriebszustand einzelner Brennstoffzellen der Brennstoffzellenanordnung schließen zu können. Dies ist aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt und soll hier nicht näher ausgeführt werden. Bevorzugt wird also der Oberwellenanteil eines von der ersten Schaltanordnung ausgegebenen Signals vor der Einprägung in die Brennstoffzellenanordnung, mit dem Oberwellenanteil des sich ergebenden Signals verglichen.
Bevorzugt erfolgt eine Klirrfaktoranalyse im Zeitbereich durch den Einsatz von Filtern (digital oder analog) oder mittels Transformation in den Frequenzbereich (Wavelet-Transformationen, Short-Time-Fourier-Transformationen oder Fast-Fourier-Transformationen), wobei die Analyse nicht auf die genannten Methoden beschränkt sein soll.
Bevorzugt misst die Messeinheit ein Spannungs- oder Stromsignal und ist entsprechend ausgebildet. Weiter bevorzugt wird das sich ergebende elektrische Signal nach passieren der Brennstoffzellenanordnung durch die Messeinheit gemessen.
Die Aufgabe wird darüber hinaus gelöst von einem Verfahren zum Betreiben einer aus mindestens einer Brennstoffzelle bestehenden Brennstoffzellenanordnung, umfassend die Schritte:

a2) Betreiben einer aus mindestens einer Brennstoffzelle bestehenden Brennstoffzellenanordnung;
b2) Überwachen des Betriebszustandes der aus mindestens einer Brennstoffzelle bestehenden Brennstoffzellenanordnung gemäß dem Verfahren nach Anspruch 10;
c2) Anpassen des Betriebszustandes der aus mindestens einer Brennstoffzelle bestehenden Brennstoffzellenanordnung entsprechend des zuvor bestimmten Betriebszustandes.

Bevorzugt wird unter einer Anpassung des Betriebszustandes der Brennstoffzellenanordnung ein Abschalten der Brennstoffzellenanordnung, ein Runterregeln der Betriebsspannung der Brennstoffzellenanordnung, ein Weiterbetrieb der Brennstoffzellenanordnung oder dergleichen verstanden.
Weitere Ziele, Vorteile und Zweckmäßigkeiten der vorliegenden Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung zu entnehmen. Hierbei zeigen:

1a-c schematische Darstellung eines Systems zum Durchführen eines Verfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
2 schematische Darstellung eines Verfahrens zur Einprägung eines elektrischen Signals in eine aus mindestens einer Brennstoffzelle bestehenden Brennstoffzellenanordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

In den 1a-c ist jeweils eine Variante eines System S mit einer Brennstoffzellenanordnung 1 gezeigt, welche dazu geeignet sind, mit einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betrieben zu werden. Das System S umfasst die Brennstoffzellenanordnung 1, einen Gleichspannungswandler 4 und eine Messanordnung 100, geeignet zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Überwachen des Betriebszustandes einer aus mindestens einer Brennstoffzelle bestehenden Brennstoffzellenanordnung, welche ein System 10 zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Einprägung eines elektrischen Signals in die Brennstoffzellenanordnung 1 und eine damit zumindest signaltechnisch verbundene Auswerte- und eine Messeinheit (hier nicht dargestellt) umfasst. Das System 10 zur Einprägung eines elektrischen Signals in die Brennstoffzellenanordnung 1 umfasst eine erste Schaltungsanordnung 2, eine zweite Schaltungsanordnung 3 mit einer Resonanzfrequenz und eine Kontrolleinheit, welche hier nicht dargestellt ist. Die erste 2 und die zweite Schaltungsanordnung 3 bilden zusammen eine übergeordnete Schaltungsanordnung 5 aus.
Die in den 1a-c dargestellten Systeme, die zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren geeignet sind, sind lediglich beispielshaft und sollen nicht auf diese beschränkt sein. Es sind ferner auch andere Anordnungen der jeweiligen Komponenten, insbesondere der ersten und der zweiten Schaltungsanordnung, möglich.
Es wäre beispielsweise möglich, das System S in einem Fahrzeug anzuordnen, wobei die von der Brennstoffzellenanordnung zur Verfügung gestellte Spannung bevorzugt zum Betrieb einer Antriebseinheit, insbesondere eines Elektromotors, des Fahrzeugs verwendet wird. Weiterhin wäre es auch möglich, das System S in Gebäuden für die Energieversorgung oder als Heizanlage einzusetzen.
Die Brennstoffzellenanordnung 1, der Gleichspannungswandler 4, die erste Schaltungsanordnung 2 und die zweite Schaltungsanordnung 3 sind zumindest signaltechnisch miteinander verbunden.
In den 1a und 1b ist die erste Schaltungsanordnung jeweils als separate/externe Einheit ausgebildet und neben dem Gleichspannungswandler 4 angeordnet.
Gemäß 1a sind die erste Schaltungsanordnung 2 und die zweite Schaltungsanordnung 3 parallel verschaltet, wobei die übergeordnete Schaltungsanordnung 5, umfassend die parallel verschalteten Schaltungsanordnungen 2, 3, parallel mit der Brennstoffzellenanordnung 1 und dem Gleichspannungswandler 4 verschaltet ist. Die Schaltungsanordnungen sind dabei lediglich schematisch dargestellt.
In 1b ist die erste Schaltungsanordnung 2 als Vierquadrantensteller 2a ausgebildet, welcher einen ersten 12a, einen zweiten 12b, einen dritten 12c und einen vierten Halbleiterschalter 12d und eine Kapazität 13 aufweist. Die Halbleiterschalter 12a-d sind bevorzugt als Transistoren und insbesondere als MOSFETs ausgebildet, wobei die Kapazität 13 bevorzugt ein Kondensator ist. Der erste 12a und der zweite Halbleiterschalter 12b sowie der dritte 12c und der vierte Halbleiterschalter 12d sind parallel zueinander verschaltet, wobei der erste 12a und der dritte Halbleiterschalter 12c sowie der zweite 12b und der vierte Halbleiterschalter 12d seriell verschaltet sind. Die Kapazität 13 ist in Reihe zu den Halbleiterschaltern 12a-d angeordnet.
Weiterhin ist die zweite Schaltungsanordnung 3 in 1b als Reihenschwingkreis ausgebildet und umfasst eine Induktivität 7 (L), eine Kapazität 8 (C) und einen Wiederstand 9 (R), die in Reihe geschaltet sind. Bei der Induktivität 7 handelt es sich bevorzugt um eine Spule. Weiter bevorzugt ist die Kapazität 8 als Kondensator ausgebildet. Der Widerstand 9 kann als ohmscher Widerstand ausgebildet sein oder lediglich auftretende Verluste im Ersatzschaltbild darstellen. Die Resonanzfrequenz der zweiten Schaltungsanordnung 3 ist durch die Induktivität 7 und die Kapazität 8 bestimmt. Ferner umfasst die zweite Schaltungsanordnung 3 eine Schalteinrichtung 11, die seriell mit der Induktivität 7 (L), der Kapazität 8 (C) und dem Wiederstand 9 (R) angeordnet ist. Die Schalteinrichtung 11 ist bevorzugt reversibel in einen ersten Zustand oder einen zweiten Zustand überführbar, wobei dies durch die Kontrolleinheit gesteuert wird.
Gemäß 1b sind die erste Schaltungsanordnung 2 und die zweite Schaltungsanordnung 3 parallel verschaltet, wobei die übergeordnete Schaltungsanordnung 5, umfassend die parallel verschalteten Schaltungsanordnungen 2, 3, parallel mit der Brennstoffzellenanordnung 1 und dem Gleichspannungswandler 4 verschaltet ist. Diese Anordnung entspricht der schematischen Anordnung in 1a.
In der 1c ist die erste Schaltungsanordnung 2 innerhalb der Topologie des Gleichspannungswandlers (allg. Spannungswandler) 4 angeordnet. Bevorzugt kann die erste Schaltungsanordnung 2 in den Gleichspannungswandler 4 integriert sein. Ferner bevorzugt kann die Funktion der ersten Schaltungsanordnung 2 der Ausgabe des Einprägungssignals sozusagen durch den Gleichspannungswandler 4 übernommen werden.
Weiterhin ist die zweite Schaltungsanordnung 3 in 1c als Reihenschwingkreis ausgebildet und umfasst eine Induktivität 7 (L), eine Kapazität 8 (C) und einen Wiederstand 9 (R), die in Reihe geschaltet sind. Bei der Induktivität 7 handelt es sich bevorzugt um eine Spule. Weiter bevorzugt ist die Kapazität 8 als Kondensator ausgebildet. Der Widerstand 9 kann als ohmscher Widerstand ausgebildet sein oder lediglich auftretende Verluste im Ersatzschaltbild darstellen. Die Resonanzfrequenz der zweiten Schaltungsanordnung 3 ist durch die Induktivität 7 und die Kapazität 8 bestimmt. Ferner umfasst die zweite Schaltungsanordnung 3 jeweils eine Schalteinrichtung 11, die seriell mit der Induktivität 7 (L), der Kapazität 8 (C) und dem Wiederstand 9 (R) angeordnet ist. Die Schalteinrichtung 11 ist bevorzugt reversibel in einen ersten Zustand oder einen zweiten Zustand überführbar, wobei dies durch die Kontrolleinheit gesteuert wird.
Gemäß 1c ist die zweite Schaltungsanordnung 3 seriell mit der Brennstoffzellenanordnung 1 und dem Gleichspannungswandler 4 bzw. der ersten Schaltungsanordnung 2 verschaltet. Zusätzlich ist eine Überbrückungsschaltanordnung 15 mit einer weiteren Schalteinrichtung 14 vorgesehen, die parallel zu der zweiten Schaltungsanordnung 3 verschaltet ist. Die weitere Schalteinrichtung 14 ist reversibel von einem ersten Zustand (geschlossen) in einen zweiten Zustand (offen) und umgekehrt überführbar. Bevorzugt wird die weitere Schalteinrichtung 14 der Überbrückungsschaltanordnung 15 durch die Kontrolleinheit gesteuert. Weiter bevorzugt werden die Schalteinrichtung 11 und die weitere Schalteinrichtung 14 durch die Kontrolleinheit gegensätzlich gesteuert, wobei wenn die Schalteinrichtung 11 geschlossen (erster Zustand) ist, ist die weitere Schalteinrichtung 14 offen (zweiter Zustand) und wenn die Schalteinrichtung 11 offen (zweiter Zustand) ist, ist die weitere Schalteinrichtung 14 geschlossen (erster Zustand). Auf diese Weise wird der Stromfluss im System S gewährleistet, auch wenn die Schalteinrichtung 11 offen (zweiter Zustand) ist, wenn kein Einprägungssignal, das durch die erste Schaltungsanordnung 2 ausgegeben wird, verstärkt werden soll bzw. die Frequenz des durch die erste Schaltungsanordnung 2 ausgegebenen Einprägungssignals nicht der Resonanzfrequenz der zweiten Schaltungsanordnung 3 entspricht. Es ist jedoch auch möglich, dass sich die Schalteinrichtungen 11, 14 gleichzeitig in dem ersten Zustand oder dem zweiten Zustand befinden. Somit ist bevorzugt, dass die weitere Schalteinrichtung 14 der Überbrückungsschaltanordnung 15 durch die Kontrolleinheit in Abhängigkeit von dem Zustand der Schalteinrichtung 11 der zweiten Schaltungsanordnung 3 gesteuert wird bzw. der Zustand der weiteren Schalteinrichtung 14 der Überbrückungsschaltanordnung 15 durch die Kontrolleinheit in Abhängigkeit von dem Zustand der Schalteinrichtung 11 der zweiten Schaltungsanordnung 3 gesetzt wird.
Ferner ist für alle in den 1a-c gezeigten Ausführungsformen des Systems 10 eine nicht dargestellte Kontrolleinheit vorgesehen, die zumindest mit der ersten Schaltungsanordnung 2 und der Schalteinrichtung 11 signaltechnisch verbunden ist und dazu eingerichtet und dafür vorgesehen ist, diese zu steuern. Dabei wird durch die Kontrolleinheit bevorzugt die Signalausgabe, insbesondere die Frequenz des ausgegebenen Einprägungssignals, der ersten Schaltungsanordnung 2 und der Zustand der Schalteinrichtung 11 eingestellt bzw. gesteuert.
In den gezeigten 1a-c weisen die Ausführungsformen der Systeme 10 jeweils nur eine zweite Schaltungsanordnung 3 auf. Es ist jedoch auch denkbar, dass das System 10 mehrere zweite Schaltungsanordnungen 3 umfasst, die jeweils parallel zueinander verschaltet sind und bevorzugt jeweils eine andere Resonanzfrequenz und jeweils eine Schalteinrichtung aufweisen.
Bevorzugt sind gemäß den in den 1a-c gezeigten Ausführungsformen die erste Schaltungsanordnung 2 und die zweite Schaltungsanordnung 3 jeweils so verschaltet bzw. ist die übergeordnete Schaltungsanordnung 5 dazu eingerichtet und dafür vorgesehen, einen Oszillator, insbesondere einen LC-Oszillator auszubilden, wobei die erste Schaltungsanordnung 2 einen entsprechenden Verstärker und die zweite Schaltungsanordnung 3 ein entsprechendes passives, frequenzabhängiges Netzwerk darstellt und die maximale Mitkopplung (Verstärkung) bei der Resonanzfrequenz der zweiten Schaltungsanordnung aufweist.
In 2 ist ein Verfahren 1000 zur Einprägung eines elektrischen Signals in eine aus mindestens einer Brennstoffzelle bestehenden Brennstoffzellenanordnung 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt.
In einem Schritt S1 bestimmt eine Kontrolleinheit einen Frequenzwert anhand einer Resonanzfrequenz zumindest einer zweiten Schaltungsanordnung 3. Hier wäre es ebenfalls möglich, dass die Kontrolleinheit einen Frequenzwert anhand einer Resonanzfrequenz zumindest einer zweiten Schaltungsanordnung 3 oder einer Resonanzfrequenz zumindest einer weiteren zweiten Schaltungsanordnung 3 bestimmt. Ferner ist denkbar, dass eine Vielzahl von zweiten Schaltungsanordnungen 3 mit verschiedenen Resonanzfrequenzen vorgesehen sind, anhand derer die Kontrolleinheit einen Frequenzwert bestimmt.
In einem Schritt S2 wird ausgehend von der Kontrolleinheit ein Steuersignal, umfassend den in Schritt S1 bestimmten Frequenzwert, an eine erste Schaltungsanordnung 2 übermittelt.
Gemäß einem Schritt S3 wird ein Einprägungssignal mit einer Frequenz entsprechend dem Frequenzwert, der der Resonanzfrequenz der zweiten Schaltungsanordnung 3 entspricht, anhand deren der Frequenzwert in Schritt S1 bestimmt wurde, durch die erste Schaltungsanordnung 2 ausgegeben.
Gemäß der hier gezeigten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass in einem Schritt S4 ein Steuersignal an eine Schalteinrichtung 11 der zweiten Schaltungsanordnung 3, anhand deren Resonanzfrequenz der Frequenzwert in Schritt S1 bestimmt wurde, übermittelt wird, wobei durch das Steuersignal die Schalteinrichtung 11 in einen ersten Zustand versetzt wird. Bevorzugt passiert das in dem Schritt S3 ausgegebenen Einprägungssignal die der Schalteinrichtung 11 zugehörigen zweiten Schaltungsanordnung, wenn die Schalteinrichtung 11 den ersten Zustand aufweist.
Es ist denkbar, dass der Schritt S4 nach einem der Schritte S1 oder S2 durchgeführt wird. Ferner kann der Schritt S4 während dem Schritt S2 oder dem Schritt S3 ausgeführt werden. Weiterhin wäre es denkbar, den Schritt S4 unmittelbar nach Schritt S3 durchzuführen.
In einem Schritt S5 erzeugt das Einprägungssignal eine Resonanzschwingung in der zumindest einen zweiten Schaltungsanordnung 3, deren Resonanzfrequenz der Frequenz des Einprägungssignals entspricht.
Gemäß einem Schritt S6 wird das Einprägungssignal anschließend in die Brennstoffzellenanordnung 1 eingeprägt.
Abschließend wird in einem Schritt S7 durch die Kontrolleinheit ein Steuersignal an die Schalteinrichtung 11, die in Schritt S4 in den ersten Zustand versetzt wurde, übermittelt und in Antwort darauf die Schalteinrichtung 11 der zweiten Schaltungsanordnung 3 in einen zweiten Zustand versetzt. Bevorzugt kann ein Einprägungssignal, das durch die erste Schaltungsanordnung 2 ausgegeben wird, diese zweite Schaltungsanordnung nicht passieren, wenn sich die zugehörige Schalteinrichtung 11 in dem zweiten Zustand befindet.
Bevorzugt wird der Schritt S7 erst dann durchgeführt, wenn die Einprägung des Einprägungssignals in Schritt S6 beendet ist.
Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
Bezugszeichenliste

1000: Verfahren zur Einprägung eines elektrischen Signals
S: System
100: Messanordnung
10: System zur Einprägung eines elektrischen Signals
1: Brennstoffzellenanordnung
2: erste Schaltungsanordnung
2a: Vierquadrantensteller
3: zweite Schaltungsanordnung
3a: Reihenschwingkreis
4: Gleichspannungswandler
5: übergeordnete Schaltungsanordnung
7: Induktivität
8: Kapazität
9: Widerstand
11: Schalteinrichtung
12a-d: Halbleiterschalter
13: Kapazität
14: weitere Schalteinrichtung
15: Überbrückungsschaltanordnung

Claims

Verfahren (1000) zur Einprägung eines elektrischen Signals in eine aus mindestens einer Brennstoffzelle bestehenden Brennstoffzellenanordnung (1), zum Überwachen des Betriebszustandes der Brennstoffzellenanordnung (1) mittels Oberwellenanalyse, umfassend die folgenden Schritte: a) Bestimmen eines Frequenzwertes anhand einer Resonanzfrequenz zumindest einer zweiten Schaltungsanordnung (3) durch eine Kontrolleinheit; b) Übermitteln eines Steuersignals, umfassend den Frequenzwert, ausgehend von der Kontrolleinheit an eine erste Schaltungsanordnung (2); c) Ausgeben eines Einprägungssignals mit einer Frequenz entsprechend dem Frequenzwert in Antwort auf das Steuersignal durch die erste Schaltungsanordnung (2); d) Erzeugen einer Resonanzschwingung in der zumindest einen zweiten Schaltungsanordnung (3) durch das Einprägungssignal; e) Einprägen des Einprägungssignals in die Brennstoffzellenanordnung (1).
Verfahren (1000) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine zweite Schaltungsanordnung als Reihenschwingkreis ausgebildet ist, wobei dieser zumindest eine Induktivität (7) und eine Kapazität (8) umfasst, die in Reihe verschaltet sind.
Verfahren (1000) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des Einprägungssignals in einem Frequenzbereich liegt, der durch eine obere und eine untere Grenzfrequenz ausgebildet ist, an welchen eine Referenzgröße, die bei der Resonanzfrequenz der zumindest einen zweiten Schaltungsanordnung (3) ihren Maximalwert besitzt, einen Wert von 70 %, bevorzugt 75 %, weiter bevorzugt 85 %, besonders bevorzugt 95 % und insbesondere bevorzugt 100 % des Maximalwertes aufweist.
Verfahren (1000) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine zweite Schaltungsanordnung (3) eine Schalteinrichtung (11) umfasst, die einen ersten Zustand oder einen zweiten Zustand aufweist, wobei die Schalteinrichtung (11) durch die Kontrolleinheit reversibel von dem ersten Zustand in den zweiten Zustand und umgekehrt überführt wird.
Verfahren (1000) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzfrequenz der zumindest einen zweiten Schaltungsanordnung (3) vor oder während dem Schritt a) durch die Kontrolleinheit ermittelt wird.
Verfahren (1000) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schaltungsanordnung (2) innerhalb der Topologie eines Spannungswandlers angeordnet ist.
Verfahren (1000) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein durch die Brennstoffzellenanordnung (1) bereitgestelltes Gleichspannungs- oder Gleichstromsignal durch die erste Schaltungsanordnung (2) zumindest teilweise in ein Wechselspannungs- oder Wechselstromsignal umgewandelt wird, wobei es sich bei dem Wechselspannungs- oder Wechselstromsignal zumindest um das Einprägungssignalhandelt.
Verfahren (1000) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schaltungsanordnung (2) und die zumindest eine zweite Schaltungsanordnung (3) seriell oder parallel verschaltet sind und zusammen eine übergeordnete Schaltungsanordnung (5) ausbilden, wobei die übergeordnete Schaltungsanordnung (5) seriell oder parallel mit der Brennstoffzellenanordnung (1) verschaltet ist.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine weitere zweite Schaltungsanordnung mit einer Resonanzfrequenz vorgesehen ist, wobei die zumindest eine zweite Schaltungsanordnung (3) und die zumindest eine weitere zweite Schaltungsanordnung parallel verschaltet sind und die Resonanzfrequenz der zumindest einen zweiten Schaltungsanordnung (3) und die Resonanzfrequenz der zumindest einen weiteren zweiten Schaltungsanordnung voneinander verschieden sind.
Verfahren zum Überwachen des Betriebszustandes einer aus mindestens einer Brennstoffzelle bestehenden Brennstoffzellenanordnung (1), umfassend die Schritte: a1) Einprägen eines elektrischen Signals in eine aus mindestens einer Brennstoffzelle bestehenden Brennstoffzellenanordnung (1) gemäß dem Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9; b1) Messen eines sich ergebenden elektrischen Signals durch eine Messeinheit; c1) Bestimmen einer Änderung des Oberwellenanteils des elektrischen Signals durch eine Auswerteeinheit, wobei anhand der Änderung des Oberwellenanteils auf den Betriebszustand der mindestens einen Brennstoffzelle und/oder der Brennstoffzellenanordnung (1) geschlossen wird.
Verfahren zum Betreiben einer aus mindestens einer Brennstoffzelle bestehenden Brennstoffzellenanordnung (1), umfassend die Schritte: a2) Betreiben einer aus mindestens einer Brennstoffzelle bestehenden Brennstoffzellenanordnung (1); b2) Überwachen des Betriebszustandes der aus mindestens einer Brennstoffzelle bestehenden Brennstoffzellenanordnung gemäß dem Verfahren nach Anspruch 10; c2) Anpassen des Betriebszustandes der aus mindestens einer Brennstoffzelle bestehenden Brennstoffzellenanordnung (1) entsprechend des zuvor bestimmten Betriebszustandes.