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Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, ein Steuerungssystem, ein Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems und ein Computerprogrammprodukt gemäß den beigefügten Ansprüchen.
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Stand der Technik
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Wasserstoffbasierte Brennstoffzellensysteme gelten als Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie nur Wasser als Abgas emittieren, und schnelle Betankungszeiten ermöglichen.
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Wasserstoffbasierte Brennstoffzellensysteme brauchen Luft und Wasserstoff für ihre chemische Reaktion, die Abwärme des Stacks wird mittels eines Kühlkreises abgeführt und an bspw. einem Hauptfahrzeugkühler an die Umgebung abgegeben.
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Beim Start eines Brennstoffzellensystems, insbesondere bei Systemtemperatur des Brennstoffzellensystems unter 0°C, soll ein Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems so schnell wie möglich aufgeheizt werden.
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Eine schnelle Aufheizung sorgt dafür, dass Wasser- bzw. Eisansammlungen in dem Brennstoffzellenstapel zu keiner Blockade von Kanälen oder Poren führt, was eine Fortführung des Starts erschweren bzw. verhindern würde.
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Eine Vereisungsgefahr ist allerdings erst gebannt, wenn in dem Brennstoffzellensystem strömendes Kühlmittel, zumindest im Bypasskreislauf auf eine Temperatur über 0°C aufgewärmt worden ist. Dadurch führt es nicht zu Gefrierbedingungen, wenn es in den Brennstoffzellenstapel hineingepumpt wird.
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Bei bekannten Verfahren zum Ausführen eines Gefrierstarts, d.h. eines Startvorgangs, bei dem der Brennstoffzellenstapel kälter als ein vorgegebener Schwellenwert von bspw. 0°C ist, wird Kühlmittel entweder durch externe Komponenten, wie bspw. einen elektrischen Heizer, oder durch die elektrochemische Reaktion im Brennstoffzellenstapel aufgeheizt. In beiden Fällen wird dadurch der Startprozess in die Länge gezogen.
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Ferner muss eine Eistoleranz des Brennstoffzellensystems auf Grund der ständigen Abkühlung unter 0°C erhöht werden. Das geschieht durch Einbau von Eispuffern in den Brennstoffzellen, zusätzliche Heizer im Brennstoffzellensystem oder ähnliches.
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Die Entscheidung darüber, ob eine Gefrierstartprozedur durchgeführt wird, wird in der Regel anhand von im Brennstoffzellensystem installierten Temperatursensoren, wie bspw. einem Kühlmitteltemperatursensor getroffen.
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Eine reale Temperatur von Brennstoffzellen eines Brennstoffzellensystems kann jedoch nicht erfasst werden. Es ist durchaus möglich, dass ein jeweiliger Temperatursensor bereits Werte über 0°C ermittelt, obwohl die Brennstoffzellen noch Temperaturen unter dem Gefrierpunkt aufweisen, weil das Brennstoffzellensystem sich bei steigender Umgebungstemperatur von außen nach innen aufwärmt, oder der Sensor unter Sonneneinstrahlung steht. In einem solchen Fall wird fälschlicherweise eine normale bzw. Standardstartprozedur eingeleitet, was dazu führt, dass der Start nicht gelingt.
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Um derartige fehlerhafte Starts zu vermeiden, wird eine Gefrierstartprozedur auch dann eingeleitet, wenn die Kühlmitteltemperatur unter einem hohen Schwellenwert von bspw. 5°C oder sogar 10°C liegt. Dies bedingt jedoch eine extreme Vergrößerung der Anzahl von Gefrierstarts, was zu einer Reduzierung der Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels führt, da eine Gefrierstartprozedur die Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels stärker belastet als eine Standardstartprozedur.
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Offenbarung der Erfindung
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Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Brennstoffzellensystem, ein Steuerungssystem, ein Verfahren zum Starten des Brennstoffzellensystems und ein Computerprogrammprodukt vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Steuerungssystem, dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukt und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Die vorgestellte Erfindung dient insbesondere dazu, ein robustes Brennstoffzellensystem bereitzustellen.
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Es wird somit gemäß einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung ein Brennstoffzellensystem zum Wandeln von Energie vorgestellt.
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Das vorgestellte Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel, einen Systemtemperatursensor, eine Kommunikationsschnittstelle zu einem Server und eine Recheneinheit.
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Die Recheneinheit ist dazu konfiguriert, in Reaktion auf einen Startbefehl zum Starten des Brennstoffzellensystems einen durch den Systemtemperatursensor ermittelten Systemtemperaturwert mit einem vorgegebenen Gefrierschwellenwert abzugleichen und, für den Fall, dass der Systemtemperaturwert kleiner als der Gefrierschellenwert ist, das Brennstoffzellensystem gemäß einer Gefrierstartprozedur zu starten.
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Die Recheneinheit ist weiterhin dazu konfiguriert, für den Fall, dass der Systemtemperaturwert größer oder gleich dem Gefrierschwellenwert ist, einen Umgebungstemperaturwert von dem Server abzurufen, den Umgebungstemperaturwert mit dem Gefrierschwellenwert abzugleichen und, für den Fall, dass der Umgebungstemperaturwert kleiner oder gleich dem Gefrierschellenwert ist, das Brennstoffzellensystem gemäß der Gefrierstartprozedur zu starten.
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Die Recheneinheit ist weiterhin dazu konfiguriert, für den Fall, dass der Umgebungstemperaturwert größer als der Gefrierschwellenwert ist, das Brennstoffzellensystem gemäß einer Standardstartprozedur zu starten.
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Unter einer Gefrierstartprozedur ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Vorgang zu verstehen, bei dem ein Brennstoffzellensystem mit für Systemtemperaturen unter dem Gefrierpunkt von Wasser optimierten Einstellungen, wie bspw. einer Aufwärmphase, gestartet wird.
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Unter einer Standardstartprozedur ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Vorgang zu verstehen, bei dem ein Brennstoffzellensystem ohne für Systemtemperaturen unter dem Gefrierpunkt von Wasser optimierten Einstellungen, wie bspw. einer Aufwärmphase, bzw. im Normalbetrieb bzw. Regelbetrieb für Temperaturen über dem Gefrierpunkt von Wasser gestartet wird.
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Unter einer Recheneinheit ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Computer, ein Prozessor, ein Steuergerät oder jeder weitere programmierbare Schaltkreis zu verstehen.
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Die vorgestellte Erfindung basiert auf dem Prinzip, dass eine Anzahl von Gefrierstartprozeduren dadurch reduziert wird, dass eine Umgebungstemperatur von einem Server ermittelt wird und bei der Auswahl einer jeweiligen Startprozedur, nämlich einer Gefrierstartprozedur oder einer Standardstartprozedur verwendet wird.
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Dazu ist vorgesehen, dass in Reaktion auf einen Startbefehl, d.h. bspw. einen durch einen Nutzer mittels einer Benutzerschnittstelle ausgelösten Steuerungsbefehl zum Starten des Brennstoffzellensystems zunächst eine Systemtemperatur des Brennstoffzellensystems anhand eines Systemtemperatursensors, wie bspw. einem Kühlmitteltemperatursensor ermittelt wird.
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Für den Fall, dass die Systemtemperatur unter einem vorgegebenen Gefrierschwellenwert von bspw. der Gefriertemperatur von Wasser, insbesondere 0°C liegt oder leicht davon abweicht, wird die Gefrierstartprozedur wie gewöhnlich eingeleitet. Liegt die Systemtemperatur jedoch über dem Gefrierschwellenwert, wird eine cloudbasierte Funktion ausgeführt, die Wetterdaten, insbesondere einen Temperaturverlauf in einer Umgebung des Brennstoffzellensystems bereitstellt.
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Lag bzw. liegt die Temperatur in der Umgebung des Brennstoffzellensystems für einen vorgegebenen Zeitraum unter dem Gefrierschwellenwert, wird die Gefrierstartprozedur eingeleitet, da eine Temperatur von Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems sehr wahrscheinlich noch unter dem Gefrierschwellenwert liegt.
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Lag die Temperatur im Umfeld des Fahrzeuges in der Umgebung des Brennstoffzellensystems für einen vorgegebenen Zeitraum über dem Gefrierschwellenwert, wird die Standardstartprozedur eingeleitet.
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Der vorgegebene Zeitraum kann dabei ausgehend von einem Startzeitpunkt, d.h. einem Zeitpunkt zu dem der Befehl zum Starten des Brennstoffzellensystems bereitgestellt wird, in die Vergangenheit projiziert werden. Bspw. kann der vorgegebene Zeitraum als 5 Stunden vor dem Startzeitpunkt bis zu dem Startzeitpunkt gewählt werden. Dabei kann als Temperaturwert zum Abgleich mit dem Gefrierschwellenwert bspw. ein Durchschnittswert sämtlicher Temperaturwerte in dem Zeitraum oder ein Minimalwert sämtlicher Temperaturwerte in dem Zeitraum gewählt werden.
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Entsprechend kann durch das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem auf einen Sicherheitspuffer, der zum Starten des Brennstoffzellensystems durch eine Gefrierstartprozedur auch bei Bedingungen führt, in denen eine Umgebungstemperatur und eine Systemtemperatur über dem Gefrierpunkt von Wasser liegen, verzichtet werden. Vielmehr wird das Brennstoffzellensystem lediglich dann durch eine Gefrierstartprozedur gestartet, wenn das Brennstoffzellensystem real Systemtemperaturen kleiner oder gleich dem Gefrierschwellenwert, insbesondere dem Gefrierpunkt von Wasser zeigt.
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Zum Ermitteln des Umgebungstemperaturwerts umfasst das vorgestellte Brennstoffzellensystem eine Kommunikationsschnittstelle, wie bspw. eine Schnittstelle zu einem Mobilfunknetz oder jedem anderen Funknetz.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, eine Position des Brennstoffzellensystems zu ermitteln und die ermittelte Position beim Abrufen des Umgebungstemperaturwerts an den Server zu übermitteln.
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Mittels einer bspw. anhand von durch ein Satellitennavigationssystem bereitgestellten Position kann eine Umgebung des Brennstoffzellensystems exakt festgestellt werden, sodass der Umgebungstemperaturwert entsprechend exakt durch den Server ermittelt und an die Recheneinheit des Brennstoffzellensystems übermittelt werden kann.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Systemtemperatursensor dazu konfiguriert ist, eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels und/oder eine Temperatur eines in dem Brennstoffzellensystem strömenden Kühlmittels als Systemtemperaturwert zu erfassen.
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Ein Systemtemperatursensor kann bspw. ein Kühlmitteltemperatursensor oder ein Brennstoffzellenstapeltemperatursensor sein. Ein Systemtemperatursensor kann als physischer Sensor vorliegen oder als mathematisches Modell ausgeführt werden, um einen jeweiligen Systemtemperaturwert zu ermitteln.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, anhand des Umgebungstemperaturwerts und eines mathematischen Modells des Brennstoffzellensystems eine modellierte Systemtemperatur zu ermitteln, wobei die Recheneinheit weiterhin dazu konfiguriert ist, die modellierte Systemtemperatur mit dem Gefrierschwellenwert abzugleichen und für den Fall, dass die modellierte Systemtemperatur größer als der Gefrierschwellenwert ist, das Brennstoffzellensystem gemäß einer Standardstartprozedur zu starten oder, für den Fall, dass die modellierte Systemtemperatur kleiner oder gleich dem Gefrierschellenwert ist, das Brennstoffzellensystem gemäß der Gefrierstartprozedur zu starten.
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Mittels eines mathematischen Modells, das bspw. eine Verteilung von thermischer Energie, insbesondere aus einer Umgebung zugeführter thermischer Energie, in dem Brennstoffzellensystem modelliert, kann bspw. ermittelt werden, ob sämtliche Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems eine Temperatur aufweisen, die über dem Gefrierschwellenwert liegt. Dazu kann das mathematische Modell bspw. eine spezifische thermische Last des Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems berücksichtigen.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das mathematische Modell dazu konfiguriert ist, eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels und/oder eine Temperatur eines in dem Brennstoffzellensystem strömenden Kühlmittels und/oder eine Temperatur in mindestens einem vorgegebenen Bereich des Brennstoffzellensystems als modellierte Systemtemperatur zu ermitteln.
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Bspw. kann das mathematische Modell dazu konfiguriert sein, eine Temperatur in einem vorgegebenen Bereich, wie bspw. einer Leitung, insbesondere einem Bogen oder einem Ventil als modellierte Systemtemperatur zu ermitteln. Dabei kann der vorgegebene Bereich eine Temperatursenke, d.h. ein jeweilig kältester Punkt des Brennstoffzellensystems sein, wenn die modellierte Systemtemperatur für den vorgegebenen Bereich über dem sodass Gefrierschwellenwert liegt, auch die Temperaturen sämtlicher anderer Bereiche des Brennstoffzellensystems über dem Gefrierschwellenwert liegen.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das mathematische Modell einen maschinellen Lerner umfasst, der dazu trainiert ist, einem jeweiligen Umgebungstemperaturwert eine entsprechende modellierte Systemtemperatur zuzuordnen.
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Ein vortrainierter maschineller Lerner, der bspw. anhand von annotierten Umgebungstemperaturwerten trainiert wurde, kann einem jeweiligen Umgebungstemperaturwert schnell und mit geringer Rechenlast einen entsprechenden Systemtemperaturwert zuordnen.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das mathematische Modell dazu konfiguriert ist, eine Temperatur in mindestens einem vorgegebenen Bereich des Brennstoffzellensystems als modellierte Systemtemperatur zu ermitteln und die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, für den Fall, dass die modellierte Systemtemperatur in mindestens einem vorgegebenen Bereich kleiner oder gleich dem Gefrierschwellenwert ist, durch die Gefrierstartprozedur lediglich den mindestens einen vorgegebenen Bereich zu erwärmen, in dem die modellierte Systemtemperatur kleiner oder gleich dem Gefrierschwellenwert ist.
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Eine Beschränkung der Gefrierstartprozedur bzw. von Gefrierstartmaßnahmen auf lediglich einen Bereich, in dem die modellierte Systemtemperatur kleiner oder gleich dem Gefrierschwellenwert ist, schont andere Bereiche, die nicht durch Gefrierstartmaßnahmen bearbeitet werden.
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Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Steuerungssystem.
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Das vorgestellten Steuerungssystem umfasst ein Brennstoffzellensystem und einen Server, wobei der Server dazu konfiguriert ist, einen Umgebungstemperaturwert für eine durch das Brennstoffzellensystem an den Server übermittelte Position an das Brennstoffzellensystem zu übermitteln.
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Zum Übermitteln des Umgebungstemperaturwerts an das Brennstoffzellensystem kann der Server eine Kommunikationsschnittstelle, wie bspw. eine Schnittstelle zu einem Mobilfunknetz oder jedem weiteren Funknetzwerk umfassen.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Server dazu konfiguriert ist, anhand des Umgebungstemperaturwerts und eines mathematischen Modells des Brennstoffzellensystems eine modellierte Systemtemperatur zu ermitteln und die ermittelte modellierte Systemtemperatur an das Brennstoffzellensystem zu übertragen.
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Durch ein Ermitteln der modellierten Systemtemperatur durch den Server kann eine Rechenlast des Brennstoffzellensystems minimiert werden.
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Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems.
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Das vorgestellte Verfahren umfasst das Abgleichen eines in Reaktion auf einen Startbefehl zum Starten des Brennstoffzellensystems durch einen Systemtemperatursensor des Brennstoffzellensystems ermittelten Systemtemperaturwert mit einem vorgegebenen Gefrierschwellenwert, das Starten des Brennstoffzellensystems gemäß einer Gefrierstartprozedur, für den Fall, dass der Systemtemperaturwert kleiner oder gleich dem Gefrierschellenwert ist, das Abrufen eines Umgebungstemperaturwerts von einem über eine Kommunikationsschnittstelle mit dem Brennstoffzellensystem verbundenen Server, für den Fall, dass der Systemtemperaturwert größer als der Gefrierschwellenwert ist, das Abgleichen des Umgebungstemperaturwerts mit dem Gefrierschwellenwert, das Starten des Brennstoffzellensystems gemäß einer Gefrierstartprozedur, für den Fall, dass der Umgebungstemperaturwert kleiner oder gleich dem Gefrierschellenwert ist, und das Starten des Brennstoffzellensystems gemäß einer Standardstartprozedur, für den Fall, dass der Umgebungstemperaturwert größer als der Gefrierschwellenwert ist.
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Das vorgestellte Verfahren dient insbesondere zum Starten des vorgestellten Bren nstoffzel lensystems.
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Gemäß einem vierten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, die, wenn diese auf einer Recheneinheit ausgeführt werden, die Recheneinheit dazu konfigurieren, eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens durchzuführen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Steuerungssystems mit einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellensystems,
- 2 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Verfahrens.
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In 1 ist ein Steuerungssystem 100 dargestellt. Das Steuerungssystem 100 umfasst ein Brennstoffzellensystem 101 und einen Server 103, die über jeweilige Kommunikationsschnittstellen 105, 107 in kommunikativem Kontakt stehen. Selbstverständlich kann das Steuerungssystem 100 auch mehrere Brennstoffzellensysteme 101 umfassen, die mit dem Server 103 in kommunikativem Kontakt stehen.
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Das Brennstoffzellensystem 101 umfasst ferner einen Brennstoffzellenstapel 109, einen Systemtemperatursensor 111 und eine Recheneinheit 113 in Form eines Steuergeräts.
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Die Recheneinheit 113 ist dazu konfiguriert, in Reaktion auf einen Startbefehl zum Starten des Brennstoffzellensystems einen durch den Systemtemperatursensor 111 ermittelten Systemtemperaturwert mit einem vorgegebenen Gefrierschwellenwert abzugleichen und, für den Fall, dass der Systemtemperaturwert kleiner als der Gefrierschellenwert ist, das Brennstoffzellensystem 101 gemäß einer Gefrierstartprozedur zu starten.
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Weiterhin ist die Recheneinheit 113 dazu konfiguriert, für den Fall, dass der Systemtemperaturwert größer oder gleich dem Gefrierschwellenwert ist, einen Umgebungstemperaturwert von dem Server 103 abzurufen, den Umgebungstemperaturwert mit dem Gefrierschwellenwert abzugleichen und, für den Fall, dass der Umgebungstemperaturwert kleiner oder gleich dem Gefrierschellenwert ist, das Brennstoffzellensystem 101 gemäß der Gefrierstartprozedur zu starten.
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Ferner ist die Recheneinheit 113 dazu konfiguriert, für den Fall, dass der Umgebungstemperaturwert größer als der Gefrierschwellenwert ist, das Brennstoffzellensystem 101 gemäß einer Standardstartprozedur zu starten.
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In 2 ist ein Verfahren 200 zum Starten des Brennstoffzellensystems 101 gemäß 1 dargestellt.
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In einem Bereitstellungsschritt 201 wird von einem Nutzer ein Startbefehl über eine Benutzerschnittstelle bereitgestellt.
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In Reaktion auf den Startbefehl wird eine Systemtemperatur des Brennstoffzellensystems 101 mit einem Gefrierschwellenwert von bspw. 0 °C in einem Abgleichschritt 215 abgeglichen.
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Für den Fall, dass die Systemtemperatur kleiner oder gleich dem Gefrierschwellenwert ist, wird in einem Startschritt 203 eine Gefrierstartprozedur ausgeführt.
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Für den Fall, dass die Systemtemperatur größer als der Gefrierschwellenwert ist, wird in einem Abrufschritt 205 eine Außentemperatur von dem Server 103, bspw. einem Cloud-Server, abgerufen und die abgerufene Außentemperatur mit dem Gefrierschwellenwert in einem Abgleichschritt 207 abgeglichen.
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Für den Fall, dass die Außentemperatur kleiner oder gleich dem Gefrierschwellenwert ist, wird in einem optionalen Modellierungsschritt 209 eine Stapeltemperatur des Brennstoffzellenstapels 109 modelliert. Dabei kann die Modellierung durch den Server 103 oder die Recheneinheit 113 durchgeführt werden. Selbstverständlich kann an Stelle der Stapeltemperatur auch eine Temperatur eines anderen Teils oder einer anderen Komponente des Brennstoffzellensystems 101 modelliert werden.
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Für den Fall, dass die Außentemperatur größer als der Gefrierschwellenwert ist, wird in einem Startschritt 213 eine Gefrierstartprozedur ausgeführt.
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In einem optionalen Abgleichschritt 211 wird die modellierte Stapeltemperatur mit dem Gefrierschwellenwert abgeglichen.
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Für den Fall, dass die Stapeltemperatur kleiner oder gleich dem Gefrierschwellenwert ist, wird in dem Startschritt 213 eine Gefrierstartprozedur ausgeführt.
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Für den Fall, dass die Stapeltemperatur größer als der Gefrierschwellenwert ist, wird in einem Startschritt 213 eine Standardstartprozedur ausgeführt.
