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Die Erfindung betrifft ein Diagnoseverfahren zur Erkennung und Lokalisierung von Defekten in einem Luftsystem eines Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzelle, der als Kathodengas Luft zugeführt wird, wobei das Luftsystem einen mit einem elektrischen Antrieb versehenen Verdichter umfasst, der dazu dient, der Brennstoffzelle einen Luftmassenstrom zuzuführen, wobei der Verdichter zur Antriebsunterstützung mit einer Abgasturbine verbunden ist, die mit einem Abgasmassenstrom der Brennstoffzelle angetrieben wird. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Recheneinheit und ein maschinenlesbares Speichermedium.
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Stand der Technik
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2012 224 052 A1 sind Brennstoffzellensysteme mit Verdichtern bekannt. Bei Brennstoffzellensystemen oder Brennkraftmaschinen wird beispielsweise zur Erhöhung der Leistung die Luftfüllung in einem Brennraum der Brennstoffzelle oder der Brennkraftmaschine durch den Einsatz eines Verdichters, wie beispielsweise eines Turboladers, erhöht. Der Druck, mit dem die Luft in den Brennraum der Brennstoffzelle oder der Brennkraftmaschine gepresst wird, wird auch als Ladedruck bezeichnet und im Allgemeinen in der Nähe des Brennraums von einem Drucksensor gemessen. Das Drucksignal wird einem geschlossenen Regelkreis zugeführt, welcher den Turbolader steuert und so einen gewünschten Ladedruck einstellt.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Erkennung und Lokalisierung von Defekten in einem Luftsystem eines Brennstoffzellensystems zu vereinfachen.
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Die Aufgabe ist bei einem Diagnoseverfahren zur Erkennung und Lokalisierung von Defekten in einem Luftsystem eines Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzelle, der als Kathodengas Luft zugeführt wird, wobei das Luftsystem einen mit einem elektrischen Antrieb versehenen Verdichter umfasst, der dazu dient, der Brennstoffzelle einen Luftmassenstrom zuzuführen, wobei der Verdichter zur Antriebsunterstützung mit einer Abgasturbine verbunden ist, die mit einem Abgasmassenstrom der Brennstoffzelle angetrieben wird, dadurch gelöst, dass der Verdichter in einem Diagnoseschritt in einem definierten Betriebszustand des Brennstoffzellensystems mit einer definierten Leistung elektrisch angetrieben wird, wobei eine Ladedruckänderung stromabwärts des Verdichters erfasst und überprüft wird. Dabei werden vorteilhaft in dem Brennstoffzellensystem vorhandene Sensoren genutzt, um die Ladedruckänderung stromabwärts des Verdichters zu erfassen. Bei der Ladedruckänderung handelt es sich hier zunächst um einen Ladedruckaufbau. Der Ladedruck wird zum Beispiel mit einem Drucksensor erfasst, der in dem Brennstoffzellensystem zwischen einem Ausgang des Verdichters und der Brennstoffzelle angeordnet ist. Besonders vorteilhaft wird über einen definierten Zeitraum ein Gradient der Ladedruckänderung erfasst. Darüber hinaus kann mit einem Luftmassenmesser der dem Verdichter zugeführte Luftmassenstrom erfasst werden. Eine Drehzahl des Verdichters kann gemessen oder anderweitig ermittelt werden. Die Verdichterdrehzahl kann zum Beispiel mit einem Verdichterkennfeld berechnet werden, wenn beispielsweise der Druck vor und nach dem Verdichter, der Luftmassenstrom durch den Verdichter und die Temperatur vor dem Verdichter bekannt sind. Anhand dieser Größen sind die Lage eines Betriebspunkts in dem Verdichterkennfeld und somit auch die Drehzahl des Verdichters bekannt, ohne dass ein Sensor zur Drehzahlbestimmung eingesetzt werden muss. Der vorab beschriebene Diagnoseschritt wird auch als erster Diagnoseschritt bezeichnet. In dem ersten Diagnoseschritt treibt der elektrische Antrieb über eine Welle ein Verdichterlaufrad mit Flügelblättern mit einer definierten Drehzahl an. Über eine vorteilhaft vorhandene Sensorik werden der Ladedruck, der Luftmassenstrom, die tatsächliche Drehzahl des Verdichters sowie dessen Stromaufnahme und gegebenenfalls auch Temperaturen gemessen und mit Schwellwerten verglichen. Die Schwellwerte können hierbei auch einem Wert oder einem Anstieg oder Gradienten entsprechen. Der im ersten Diagnoseschritt aufgebaute Ladedruck wird als Massenstrom den vorgegebenen Pfad im Luftsystem entlang durch das Brennstoffzellensystem hindurch zur Abgasseite geführt, wo er den Verdichter über Flügelblätter der Abgasturbine antreibt. Über die Strecke, welche die Luft von der Frischluftseite zur Abgasseite des Verdichters zurücklegt, ergibt sich eine Randbedingung zur maximal möglichen Dauer der Messung im ersten Diagnoseschritt. Bei einer Überschreitung dieser Dauer wird der Ladedruck nicht mehr rein durch den elektrischen Antrieb des Verdichters aufgebaut, sondern zusätzlich durch den Antrieb aus dem Abgasmassenstrom über die Abgasturbine.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Diagnoseverfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Antrieb des Verdichters in einem zweiten Diagnoseschritt deaktiviert wird, so dass nur der Abgasmassenstrom der Brennstoffzelle den Verdichter über die Abgasturbine antreibt, wobei die Ladedruckänderung stromabwärts des Verdichters erfasst und überprüft wird. Im zweiten Diagnoseschritt wird der elektrische Antrieb des Verdichters deaktiviert, so dass nur der Abgasmassenstrom den Verdichter über die Flügelblätter der Abgasturbine antreibt. Auch in diesem Fall erfolgt eine Messung über die vorteilhaft vorhandene Sensorik. Wenn eine Leckage ausgeschlossen werden kann, dann wirkt der Abgasmassenstrom ausschließlich auf ein Turbinenrad der Abgasturbine. Mit Hilfe der Informationen zu dem im zweiten Diagnoseschritt veränderten Ladedruck und weiterer über Sensoren gemessenen Größen kann eine Aussage über die Funktionstüchtigkeit der Turbinenseite des elektrisch angetriebenen Verdichters getroffen werden. Wenn der Ladedruck, der Massenstrom beziehungsweise eine gewisse Drehzahl des Verdichters nicht erreicht wird, dann ist davon auszugehen, dass die Flügelblätter der Abgasturbine beschädigt sind.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Diagnoseverfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Antrieb des Verdichters in einem zweiten oder dritten Diagnoseschritt auf einer definierten Drehzahl gehalten wird, wobei eine Stromaufnahme des elektrischen Antriebs des Verdichters erfasst wird. Eine Auswertung der Änderung in der Stromaufnahme des elektrisch angetriebenen Verdichters kann als weiteres Diagnosemerkmal verwendet werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Diagnoseverfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem mit dem Luftsystem in einem Vorbereitungsschritt des Diagnoseverfahrens in einen Gleichgewichtszustand gebracht wird. Gleichgewichtszustand bedeutet insbesondere, dass auf einer Lufteingangsseite der gleiche oder ein ähnlicher Druck wie auf einer Abgasseite in dem Brennstoffzellensystem herrscht. Massenströme auf der Lufteingangsseite und auf der Abgasseite sind entweder nicht vorhanden oder konstant. Stellelemente im Luftsystem werden vorteilhaft in definierte Stellungen gebracht und dort gehalten. So können mit den folgenden Diagnoseschritten reproduzierbare Ergebnisse bereitgestellt werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Diagnoseverfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass vor und während der Durchführung des Diagnoseverfahrens ein Differenzdruck zwischen einer Anodenseite und einer Kathodenseite des Brennstoffzellensystems überwacht wird. So können eventuelle Beschädigungen einer Membran in der Brennstoffzelle erkannt beziehungsweise ausgeschlossen werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Diagnoseverfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass vor der Durchführung des Diagnoseverfahrens überprüft wird, ob in dem Brennstoffzellensystem vorhandene Sensoreinrichtungen korrekt funktionieren. Die Sensoreinrichtungen umfassen zum Beispiel Drucksensoren, Luftmassensensoren, Temperatursensoren et cetera. Durch diesen Funktionstest können Fehldiagnosen vermieden werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Diagnoseverfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehzahl des Verdichters dahingehend überwacht wird, dass eine lagerabhängige Mindestdrehzahl nicht unterschritten wird. Bei den Lagern handelt es sich vorzugsweise um Luftlager, die sich im Hinblick auf die sehr hohen Drehzahlen im Betrieb des Verdichters als effektiv erwiesen haben. Durch das Aufrechterhalten der Mindestdrehzahl während der Diagnose kann ein unerwünschter Verschleiß der Lager vermieden werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Diagnoseverfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Leckageprüfung durchgeführt wird, wenn in einem der Diagnoseschritte ein Defekt erkannt wird. Wenn in einem der Diagnoseschritte ein Defekt erkannt wird, kann zusätzlich durch einen Werkstattmitarbeiter eine Leckageprüfung von relevanten Komponenten und Leitungen durchgeführt werden, um eine Falschinterpretation einer vorangegangenen Messung zu vermeiden.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Recheneinheit, die dazu eingerichtet ist, ein vorab beschriebenes Verfahren durchzuführen. Bei der Recheneinheit handelt es sich zum Beispiel um ein Steuergerät des Brennstoffzellensystems. Besonders vorteilhaft handelt es sich bei der Recheneinheit um einen Werkstattcomputer, mit welchem das Diagnoseverfahren in einer Werkstatt ausgeführt wird.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren ein maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm, das eine Recheneinheit dazu veranlasst, ein vorab beschriebenes Verfahren durchzuführen, wenn es auf der Recheneinheit ausgeführt wird.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Aufbaus eines Brennstoffzellensystems; und
- 2 ein Ablaufdiagramm eines Diagnoseverfahrens zur Erkennung und Lokalisierung von Defekten in einem Luftsystem des Brennstoffzellensystems.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt ein herkömmliches Brennstoffzellensystem 10. Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst eine Brennstoffzelle 12, eine Luftzuführungsleitung 14, eine Abgasleitung 16, einen Verdichter 18, eine Abgasturbine 20, ein Bypassventil 22 zur Druckabsenkung und eine nicht näher gezeigte Zuführungsleitung für Brennstoff zu der Brennstoffzelle 12. Das Bypassventil 22 kann beispielsweise eine Regelklappe sein.
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Die Brennstoffzelle 12 ist eine galvanische Zelle, die chemische Reaktionsenergie eines über die nicht gezeigte Brennstoffzuführungsleitung zugeführten Brennstoffes und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt, das bei der hier gezeigten Ausführungsform Ansaugluft ist, die über die Luftzuführungsleitung 14 der Brennstoffzelle 12 zugeführt wird.
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Der Brennstoff kann Wasserstoff oder Methan oder Methanol sein. Entsprechend entsteht als Abgas Wasserdampf oder Wasserdampf und Kohlendioxid. Die Brennstoffzelle 12 ist beispielsweise eingerichtet, eine Antriebsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs anzutreiben. Beispielsweise treibt die durch die Brennstoffzelle 12 erzeugte elektrische Energie einen Elektromotor des Kraftfahrzeugs an.
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Der Verdichter 18 ist in der Luftzuführungsleitung 14 angeordnet. Die Abgasturbine 20 ist in der Abgasleitung 16 angeordnet. Der Verdichter 18 und die Abgasturbine 20 sind über eine Welle 24 mechanisch verbunden. Die Welle 24 ist von einer Antriebsvorrichtung 26 elektrisch antreibbar. Die Antriebsvorrichtung 26 wird auch als elektrischer Antrieb 26 bezeichnet. Dabei handelt es sich zum Beispiel um einen Elektromotor.
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Die Abgasturbine 20 dient der Unterstützung der Antriebsvorrichtung 26 zum Antreiben des Verdichters 18. In der Luftzuführungsleitung 14 sind ein Luftmassenmesser 28 und ein Drucksensor 30 stromaufwärts des Verdichters 18 und/oder ein Drucksensor 32 stromabwärts des Verdichters 18 angeordnet. Der Luftmassenmesser 28 und der Drucksensor 30 sind rein optional, so dass das nachstehend ausführlich beschriebene Verfahren ohne diese ausführbar ist. Der Verdichter 18, die Welle 24 und die Abgasturbine 20 bilden zusammen einen Turbolader 34, der Teil eines Luftsystems 38 des Brennstoffzellensystems 10 ist.
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Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem 10 ein Regelungsgerät beziehungsweise Steuerungsgerät oder Steuergerät 36, das auch kurz Steuerung oder Regelung 36 genannt wird. Das Regelungsgerät 36 ist eingerichtet zum Durchführen eines nachfolgend ausführlich beschriebenen Diagnoseverfahrens.
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2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Diagnoseverfahrens zur Erkennung und Lokalisierung von Defekten in dem Luftsystem 38 des Brennstoffzellensystems 10 aus 1. Das Diagnoseverfahren wird zum Beispiel in Form einer Werkstattroutine mit dem Brennstoffzellensystem 10 in 1 durchgeführt. In einem Vorbereitungsschritt 40 werden zunächst Startbedingungen hergestellt.
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In 2 sind durch Rechtecke 40, 41 und 42 ein Vorbereitungsschritt 40, ein erster Diagnoseschritt 41 und ein zweiter Diagnoseschritt 42 angedeutet. Ein Rechteck 43 veranschaulicht ein Ergebnis der Diagnose. Durch Rauten 44 und 45 sind eine erste und eine zweite Überprüfung angedeutet. Rechtecke 46, 47 veranschaulichen Zwischenergebnisse, wenn in den Überprüfungen 44, 45 Abweichungen festgestellt werden.
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Zu Beginn des Diagnoseverfahrens befindet sich das Luftsystem 38 in einem Gleichgewichtszustand, in welchem auf der Frischluftseite und der Abgasseite ein ähnlicher Druck herrscht. Während des Diagnoseverfahrens kann das Anodensystem des Brennstoffzellensystems 10 aktiv oder deaktiviert sein.
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In jedem Fall müssen die Drücke vor und während der Diagnose, insbesondere der Differenzdruck zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite, überwacht werden, um eine Beschädigung der Membran im Stack auszuschließen. Weitere Steller im Luftsystem 38 werden in eine definierte Stellung gebracht, um reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen.
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In dem ersten Diagnoseschritt 41 treibt der elektrische Antrieb 26 den Verdichter 18 mit einer definierten Drehzahl beziehungsweise Verdichterleistung an. Dadurch wird ein Ladedruck aufgebaut, der mit dem Drucksensor 32 erfasst wird. Vorteilhaft werden zusätzlich zu dem Ladedruck noch der Luftmassenstrom, die Verdichterdrehzahl, die Verdichterstromaufnahme und gegebenenfalls Temperaturen gemessen und gegen Schwellwerte verglichen, wie durch die Raute 44 angedeutet ist.
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Wenn hier Abweichungen festgestellt werden, dann können Turbinenblätter auf der Verdichterseite beschädigt sein. Durch das Rechteck 46 ist angedeutet, dass andere mechanische Fehler, wie Leckage, Verstopfung et cetera, durch eine manuelle Prüfung ausgeschlossen werden.
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Die Leckageprüfung wird zum Beispiel mit Hilfe eines Leckagesprays durchgeführt, das auf die zu prüfenden Komponenten oder Leitungen gesprüht wird. Die Leckagestellen sind hierbei durch Blasenbildung erkennbar. Eine Verstopfung, zum Beispiel in einem Luftfilter, kann durch eine Druckmessung oder durch eine Sichtprüfung ausgeschlossen werden.
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Wenn nach dem ersten Diagnoseschritt 41 in der Überprüfung 44 kein Defekt festgestellt wird, dann erfolgt in dem Luftsystem 38 eine Ladedruckänderung durch den Abgasmassenstrom, der über die Abgasturbine den Verdichter antreibt.
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In der Raute 45 nach dem zweiten Diagnoseschritt 42 erfolgt die gleiche Überprüfung wie in der Raute 44. Wenn hier ein Defekt festgestellt wird, dann können Turbinenblätter der Abgasturbine 20 beschädigt sein. Andere mechanische Fehler, wie Leckage, Verstopfung et cetera, werden im Rechteck 47 durch manuelle Prüfung ausgeschlossen.
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Wenn in der Raute 45 keine Defekte festgestellt werden, dann ergibt sich daraus in dem Ergebnis 43, dass keine relevanten Beschädigungen der Turbinenblätter vorliegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012224052 A1 [0002]
