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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Plausibilisierung eines Drucks in einem Kühlmittelkreislauf, insbesondere in einem Kühlmittelkreislauf eines Fahrzeugs, welches vorzugsweise mittels einer Brennstoffzellenvorrichtung betrieben wird. Die Erfindung betrifft außerdem ein Fahrzeug.
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Brennstoffzellenvorrichtungen werden für die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser genutzt, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer, beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. Im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Mehrzahl zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasster Brennstoffzellen wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H2 oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein Transport der Protonen H+ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, so dass eine Reduktion von O2 zu O2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser.
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Die
DE 10 2009 035 329 A1 zeigt ein Verfahren zum Betreiben eines Kältemittelkreislaufs eines Fahrzeugs, wobei ein Druckniveau des Kältemittelkreislaufs erfasst und eine Plausibilitätsprüfung durchgeführt wird.
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Die
DE 10 2015 225 600 A1 offenbart ein Verfahren zur Diagnose einer Leckage eines Fluids in einem Fluidsystem, bei dem ein Referenzdruckgradient mit einem Betriebsgradienten des Betriebsdrucks verglichen wird.
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Die Überprüfung und Plausibilisierung des Drucks in einem Kühlmittelkreislauf ist wichtig, da ein zu hoher Druck im Kreislauf zu einer Schädigung des Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel führen kann. Die Überprüfung des Drucks erfolgt dabei üblicherweise mittels Drucksensoren im Kühlmittelkreislauf, die üblicherweise stromab der Kühlmittelpumpe und stromauf des Brennstoffzellenstapeleingangs angeordnet sind. Die Anordnung von mehreren Drucksensoren innerhalb des Kühlmittelkreislaufs erhöht die Kosten und Komplexität des Kühlmittelkreislaufs und damit der Brennstoffzellenvorrichtung. Gleichzeitig muss sichergestellt werden, dass die durch die Drucksensoren gemessenen Drücke plausibel sind, das heißt, dass der Drucksensor funktionstüchtig ist und genau und richtig den Druck misst.
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Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein Fahrzeug bereit zu stellen, die eine korrekte Funktionsweise der Drucksensoren innerhalb des Kühlmittelkreislaufs sicher stellen können, bei gleichzeitig möglichst geringer Anzahl von Drucksensoren.
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Die das Verfahren betreffende Aufgabe wird mittels der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die das Fahrzeug betreffende Aufgabe wird mittels der Merkmale des Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das Verfahren zeichnet sich insbesondere durch die folgenden Schritte aus:
- - Messen der innerhalb des Kühlmittelkreislaufs vorherrschenden Drücke mittels eines Drucksensors,
- - Ermitteln eines Druckgradienten aus den gemessenen Drücken,
- - Berechnen eines Referenzdrucks aus der Drehzahl der Kühlmittelpumpe,
- - Ermitteln eines Referenzdruckgradienten aus den ermittelten Referenzdrücken,
- - Vergleich des Druckgradienten mit dem Referenzdruckgradienten und
- - Ausgabe einer Fehlermeldung bei Abweichung des Druckgradienten von dem Referenzdruckgradienten um einen vorgegebenen Wert.
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Die Modellierung eines Referenzdruckgradienten anhand der Drehzahl der Kühlmittelpumpe ermöglicht einerseits die Reduzierung der Anzahl an Drucksensoren innerhalb des Kühlmittelkreislaufs auf genau einen Sensor, da die zuvor üblicherweise mittels eines zweiten Drucksensors durchgeführte Plausibilisierung nun anhand des modellierten Referenzdruckgradienten erfolgen kann; aus den Drehzahldaten der Kühlmittelpumpe. Andererseits wird weiterhin die korrekte Funktionsweise des Drucksensors überprüft, so dass ein zu hoher Druck erkannt und entsprechende Maßnahmen ergriffen werden können. Eine fehlerhafte Messung des Drucksensors lässt sich auf diese Weise ebenfalls schnell erkennen. Die Fehlermeldung kann dabei als ein akustisches oder als ein optisches Signal ausgegeben werden. Der auftretende Fehler kann auch in einen auslesbaren Fehlerspeicher eingetragen werden.
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Um einen exakteren Referenzdruckgradienten modellieren zu können, ist es bevorzugt, wenn der Referenzdruck ein Referenzdruckhub ist, der anhand der Drehzahl der Kühlmittelpumpe ermittelt wird, und dass der Referenzdruckgradient anhand des Referenzdruckhubs ermittelt wird. Die Berechnung des Referenzdruckhubs erfolgt dabei vorzugsweise anhand einer polynomischen Umrechnung der Drehzahlen der Kühlmittelpumpe.
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Unter dem Referenzdruckhub ist im Wesentlichen die drehzahlinduzierte Druckdifferenz des Druckes stromauf der Kühlmittelpumpe und des Druckes stromab der Kühlmittelpumpe zu verstehen.
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Die Plausibilisierung der gemessenen Drücke erfolgt bevorzugt dadurch, dass ein Verlauf des Referenzdruckgradienten mit einem Verlauf des Druckgradienten innerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters verglichen wird.
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Um ein Rauschen vom eigentlichen Signal trennen zu können, ist es bevorzugt, wenn diejenigen Werte des Druckgradienten und diejenigen Werte des Referenzdruckgradienten herausgefiltert werden, die kleiner als ein vorgegebener Minimaldruckgradient sind.
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Weiterhin ist es zur Entfernung von Artefakten und Spitzen bevorzugt, wenn diejenigen Werte des Druckgradienten und diejenigen Werte des Referenzdruckgradienten herausgefiltert werden, die größer als ein vorgegebener Maximaldruckgradient sind.
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Dies ermöglicht, dass der Vergleich des Druckgradienten und des Referenzdruckgradienten innerhalb eines Bemessungsfensters erfolgt, wobei das Bemessungsfenster bevorzugt durch den Maximaldruckgradienten und den Minimaldruckgradienten vorgegeben ist.
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Um sicher zu gehen, dass der Referenzdruckhub korrekt bestimmt wurde, umfasst das Verfahren vorzugsweise außerdem die folgenden Schritte:
- - Abfragen, ob der Referenzdruckhub kleiner als der gemessene Druck ist, und
- - Ausgabe einer Fehlermeldung, wenn der Referenzdruckhub größer als der Druckgradient ist.
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Um feststellen zu können, ob der Druck innerhalb des Kühlmittelkreislaufs zu hoch ist und um in diesem Fall entsprechende Maßnahmen ergreifen zu können, ist es bevorzugt, wenn das Verfahren außerdem die folgenden Schritte umfasst:
- - Abfragen, ob der Referenzdruckhub kleiner als ein vorgegebener Grenzwert ist und
- - Ausgabe einer Fehlermeldung, wenn der Referenzdruckhub größer als der vorgegebene Grenzwert ist.
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Das erfindungsgemäße Fahrzeug mit einem eine Kühlmittelpumpe aufweisenden Kühlmittelkreislauf, wobei stromab der Kühlmittelpumpe ein Drucksensor in den Kühlmittelkreislauf eingekoppelt ist, zeichnet sich dadurch aus, dass eine Steuereinheit vorhanden ist, die eingerichtet ist, eines oder mehrere der vorstehenden Verfahren oder Verfahrensschritte durchzuführen.
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Es ist zur Reduktion der Komplexität des Kraftfahrzeugs von Vorteil, wenn der Kühlmittelkreislauf genau einen Drucksensor aufweist; also frei ist von weiteren Drucksensoren.
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Das Kraftfahrzeug ist vorzugsweise mit einer Brennstoffzellenvorrichtung ausgerüstet, die sich selbst dadurch auszeichnet, dass in den Kühlmittelkreislauf ein Brennstoffzellenstapel eingebunden ist, und dass der Kühlmittelkreislauf dann ebenfalls nur genau einen Drucksensor aufweist. In anderen Worten weißt auch hier der Kühlmittelkreislauf nicht mehr als einen einzigen Drucksensor auf.
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Die bezüglich des Verfahrens genannten Ausgestaltungen und Vorteile gelten entsprechend für das das Verfahren ausführende oder nutzende Fahrzeug. Das Fahrzeug ist dabei bevorzugt mittels einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Brennstoffzellenstapel antreibbar.
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Darüber hinaus kann das Verfahren auch in jeder einen Kühlmittelkreislauf mit einer Kühlmittelpumpe und einem Drucksensor aufweisenden Vorrichtung genutzt werden.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung des Verfahrens zur Plausibilisierung eines Drucks in einem Kühlmittelkreislauf,
- 2 eine Darstellung des Verlaufs und der Bestimmung des Referenzdruckgradienten und des Druckgradienten,
- 3 eine Darstellung des Verlaufs des Referenzgradienten und des Druckgradienten innerhalb des Bemessungsfensters.
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1 zeigt die schematische Darstellung des Verfahrens zur Plausibilisierung eines Drucks in einem eine Kühlmittelpumpe aufweisenden Kühlmittelkreislauf. Zunächst wird mittels eines stromab der Kühlmittelpumpe im Kühlmittelkreislauf angeordneten Drucksensor mehrere Drücke 3 gemessen (S1). Parallel dazu wird die Drehzahl 1 der Kühlmittelpumpe bereit gestellt (S3). Aus den Drücken 3 wird ein Druckgradient ermittelt (S2), während aus den Drehzahlen 1 der Kühlmittelpumpe ein Referenzdruck und insbesondere ein Referenzdruckhub 5 berechnet wird (S4). Der Referenzdruckhub 5 ist dabei die drehzahlinduzierte Druckdifferenz zwischen stromauf und stromab der Kühlmittelpumpe vorliegender Drücke. Sowohl das Signal des Drucksensors als auch das Signal des Drehzahlmessers werden mittels eines Filters vor der Ermittlung des Druckgradienten 7 und des Referenzdrucks, also des Referenzdruckhubs 5 geglättet d.h. gefiltert. Im Anschluss wird aus dem Referenzdruck, also bevorzugt aus dem Referenzdruckhub 5, ein Referenzdruckgradient 6 bestimmt (S5).
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Nach der Bestimmung des Referenzdruckgradienten 6 wird abgefragt, ob der Druckgradient 7 und der Referenzdruckgradient 6 innerhalb eines durch einen vorgegebenen Maximaldruckgradienten und einen vorgegebenen Minimaldruckgradienten bestimmten Bemessungsfensters liegen (S6). In anderen Worten werden diejenigen Werte des Druckgradienten 7 und des Referenzdruckgradienten 6 herausgefiltert, die kleiner als der vorgegebene Minimaldruckgradient sind und die größer als ein vorgegebener Maximaldruckgradient sind. Dadurch kann Rauschen von dem eigentlichen Signal unterschieden werden und Artefakte sowie Spitzen aus dem Signal eliminiert werden. Die herausgefilterten Werte des Druckgradienten 7 und des Referenzgradienten 6 bleiben folglich beim Vergleich des Referenzgradienten 6 mit dem Druckgradienten 7 zur Plausibilisierung der gemessenen Drücke unberücksichtigt.
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Im Anschluss werden die innerhalb des Bemessungsfensters liegenden Werte des Referenzdruckgradienten 6 mit denen des Druckgradienten 7 verglichen (S7). Bevorzugt wird dabei der Verlauf des Referenzdruckgradienten 6 mit dem Verlauf des Druckgradienten 7 innerhalb eines Zeitfensters verglichen. Bei einer Abweichung um einen vorgegebenen Wert wird eine Fehlermeldung, also ein Hinweis ausgegeben, dass das Ergebnis des Drucksensors nicht hinreichend plausibel ist (S8). Die Messung, die Modellierung bzw. der Vergleich können dann nochmals durchgeführt werden. Bei einer erneuten Abweichung des Referenzdruckgradienten 6 von dem Druckgradienten 7 kann eine weitere Fehlermeldung ergehen, beispielsweise mit dem Hinweis eine Werkstatt aufzusuchen. Die Fehlermeldung wird bevorzugt in einem Fehlerspeicher hinterlegt, um später ausgelesen werden zu können. Alternativ kann auch direkt eine Fehlermeldung oder ein Hinweis ergehen.
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Ist der gemessene Druck hinreichend plausibel, so wird der Referenzdruckhub 5 zusätzlich dahingehend untersucht, ob der Referenzdruckhub 5 kleiner als der gemessene Druck 3 ist (S9). Ist der Referenzdruckhub 5 größer als der gemessene Druck, so wird eine Fehlermeldung ausgegeben. Weiterhin wird abgefragt, ob der Referenzdruckhub 5 kleiner als ein vorgegebener Grenzwert ist (S10). Ist der Referenzdruckhub dagegen größer als der vorgegebene Grenzwert, so ergeht eine Fehlermeldung, dass der Referenzdruckhub 5 zu hoch ist. Hieraus lässt sich schließen, dass der Druck innerhalb des Kühlmittelkreislaufs zu hoch ist, was zu einer Beschädigung der Brennstoffzellen führen könnte und das Ergreifen entsprechender Maßnahmen erforderlich macht. Diese Maßnahmen können dann auch ausgeführt werden.
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Das Verfahren wird bevorzugt in einem Fahrzeug eingesetzt, welches einen Kühlmittelkreislauf mit einer Kühlmittelpumpe und genau einem stromab der Kühlmittelpumpe angeordneten Drucksensor aufweist, wobei eine Steuereinheit vorhanden ist, die das oben beschriebene Verfahren durchführt. Besonders bevorzugt, wird das Fahrzeug mittels einer den Kühlmittelkreislauf aufweisenden Brennstoffzellenvorrichtung betrieben, wobei der Kühlmittelkreislauf genau einen Drucksensor aufweist, und wobei der Brennstoffzellenstapel strömungsmechanisch in den Kühlmittelkreislauf eingebunden ist.
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Im obersten Diagramm der 2 ist die Drehzahl 1 der Kühlmittelpumpe über die Zeit aufgetragen (durchgezogene Linie). Dieses Signal wurde mittels eines PT1 Filters geglättet. Die gefilterte Drehzahl 2 ist durch die gepunktete Linie dargestellt. Aus der gefilterten Drehzahl 2 wird mittels einer polynomischen Umformung der Referenzdruckhub 5 bestimmt oder modelliert. Der Referenzdruckhub 5 ist in dem mittleren Diagramm der 2 in Abhängigkeit von der Zeit als eine gepunktete Linie aufgetragen. Im selben Diagramm sind die mittels des Drucksensors gemessenen Drücke 3 in Abhängigkeit von der Zeit aufgetragen (durchgezogene Linie), wobei auch dieses Signal mittels eines PT1 Filters geglättet wird. Der gefilterte, gemessene Druckverlauf 4 ist als gestrichelte Linie dargestellt. Dabei wird deutlich, dass der Verlauf des Referenzdruckhubs 5 dem Verlauf des gemessenen Drucks 3, 4 folgt. Im untersten Grafen der 2 sind der Referenzdruckgradient 6 (durchgezogene Linie) und der Druckgradient 7 (gepunktete Linie) in Abhängigkeit von der Zeit aufgetragen. Auch hier wird deutlich, dass der Verlauf des Referenzdruckgradienten 6 gut mit dem Verlauf des Druckgradienten 7 übereinstimmt. In anderen Worten kann der modellierte Referenzdruckgradient 6 den Verlauf des Druckgradienten 7 gut nachbilden und damit plausibilisieren.
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Im obersten Grafen der 3 wurden nochmals der berechnete Referenzdruckhub 5 (gepunktete Linie) und der gefilterte gemessene Druck 4 (durchgezogene Linie) über die Zeit aufgetragen. Um das Rauschen und Signalausschläge eliminieren zu können, wurden diejenigen Werte des Druckgradienten 7 und des Referenzdruckgradienten 6, die größer als der Maximaldruckgradient und kleiner als der Minimaldruckgradient sind, herausgefiltert, so dass der Verlauf des Druckgradienten 7 (gepunktete Linie) und des Referenzdruckgradienten 6 (durchgezogene Linie) innerhalb eines Bemessungsfensters erfolgt. Dies ist in dem mittleren Grafen der 3 dargestellt. Das unterste Diagramm der 3 zeigt wiederum, dass es keine Abweichung 8 des Druckgradienten 7 von dem Referenzdruckgradienten 6 gibt, die größer als ein vorgegebener Wert ist, dass also die durch den Drucksensor gemessenen Drücke plausibel sind, und dass der modellierte Referenzdruckhub 5 nicht größer als ein Grenzwert ist; also der Druck innerhalb des Kühlmittelkreislaufs nicht zu hoch ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Drehzahl n
- 2
- Drehzahl gefiltert
- 3
- gemessener Druck
- 4
- gemessener gefilterter Druck
- 5
- modellierter Referenzdruckhub
- 6
- modellierter Referenzdruckgradient
- 7
- Druckgradient
- 8
- Abweichung Referenzdruckgradient von Druckgradient
- 9
- Referenzdruckhub größer als Grenzwert
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009035329 A1 [0003]
- DE 102015225600 A1 [0004]
