DE112007002072B4

DE112007002072B4 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE112007002072B4
Application number: DE112007002072.5T
Authority: DE
Inventors: Kota Manabe; Takeshi Maenaka; Takahiko Hasegawa
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-09-11
Filing date: 2007-08-16
Publication date: 2016-10-06
Anticipated expiration: 2027-08-17
Also published as: CN101485026B; WO2008032537A1; CA2651414C; CN101485026A; DE112007002072T8; JP5062518B2; JP2008098134A; CA2651414A1; KR20090042302A; KR101006217B1; US8268495B2; DE112007002072T5; US20100013490A1

Abstract

Brennstoffzellensystem (10) mit einem Gleichstromumrichter (60) zur Erhöhung und Absenkung einer Ausgangsspannung eines durch Schichtung einer Mehrzahl von Zellen gebildeten Brennstoffzellenstapels (20), umfassend: eine Steuereinheit (80) zur Beaufschlagung des Brennstoffzellenstapels (20) mit einem Wechselstromsignal durch Ansteuerung des Gleichstromumrichters (60), und eine Wechselstromimpedanzmessvorrichtung, die eine Wechselstromimpedanz der Zelle durch Feststellung einer Spannungsrückmeldung der Zelle nach der Beaufschlagung des Brennstoffzellenstapels (20) mit dem Wechselstromsignal misst, wenn ein Betriebspunkt des Gleichstromumrichters (60) sich außerhalb eines Betriebsbereichs befindet, in dem sich der Totzeitkompensationswert stark verändert, wobei die Wechselstromimpedanzmessvorrichtung eine Messung der Wechselstromimpedanz der Zelle verhindert, wenn sich der Betriebspunkt des Gleichstromumrichters (60) innerhalb des Betriebsbereichs befindet, in dem sich der Totzeitkompensationswert stark verändert.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem zum Messen einer Wechselstromimpedanz eines Brennstoffzellenstapels durch Verwendung eines Gleichstromumrichters zur Erhöhung und Absenkung einer Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels.
Stand der Technik
Ein Brennstoffzellenstapel ist ein Energieumwandlungssystem, das eine elektrochemische Reaktion durch Zufuhr eines Brenngases und eines Oxidationsgases zu einer Membran-Elektroden-Anordnung veranlasst und dadurch chemische Energie in elektrische Energie umwandelt. Unter anderem ist ein Brennstoffzellenstapel mit einem festen Polymerelektrolyt, der eine feste Polymermembran als Elektrolyt benutzt, kostengünstig, kann leicht kompakt ausgeführt werden und besitzt auch eine hohe Schüttdichte, so dass die Anwendbarkeit für die bordeigene Leistungsversorgung eines Fahrzeugs angenommen wird.
Die Wechselstromimpedanz eines Brennstoffzellenstapels wird als einer der Indikatoren für die optimale Steuerung des Betriebszustands eines Brennstoffzellenstapels benutzt. Der Wert der Wechselstromimpedanz steht in einer Wechselbeziehung mit dem Feuchtigkeitszustand einer Elektrolytmembran und die Messung des Wertes der Wechselstromimpedanz kann den Feuchtigkeitszustand der Elektrolytmembran feststellen. Wenn die Elektrolytmembran eine übermäßige oder mangelhafte Feuchtigkeit aufweist, sinkt die Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels aufgrund der Überflutungserscheinung oder der Austrocknungserscheinung und für die optimale Steuerungsaktion der Batteriezelle ist es erforderlich, den Feuchtigkeitszustand der Elektrolytmembran auf den optimalen Bedingungen zu halten. Die japanische Patentoffenlegungsschrift JP 2005-332702 A schlägt ein Verfahren vor, bei dem durch Verwendung eines mit dem Brennstoffzellenstapel verbundenen Gleichstromumrichters ein Brennstoffzellenstapel mit einem Wechselstromsignal beaufschlagt wird und eine Frequenz des Wechselstromsignals verändert wird, um eine Spannungsrückmeldung zu ermitteln und dadurch wird die Wechselstromimpedanz gemessen.
Offenbarung der Erfindung
Es gibt jedoch bei einem Gleichstromumrichter zur Erhöhung und Absenkung einer Ausgangsspannung eines Brennstoffzellenstapels durch die Schaltaktion eines Schaltelements einen Betriebsbereich, in dem sich ein Totzeitkompensationswert stark verändert, abhängig von einem Wert der durchgeleiteten Leistung. Es ist bekannt, dass in dem Betriebsbereich, in dem sich der Totzeitkompensationswert stark verändert (nachfolgend zur Vereinfachung als „Bereich mit reduzierter Ansprechempfindlichkeit” bezeichnet), die Ansprechempfindlichkeit des Gleichstromumrichters absinkt. Wenn die Wechselstromimpedanz des Brennstoffzellenstapels in diesem Bereich mit reduzierter Ansprechempfindlichkeit gemessen wird, verringert sich die Genauigkeit, mit der der Gleichstromumrichter dem Brennstoffzellenstapel ein Hochfrequenzsignal überlagert, und es tritt ein Nachteil auf, der die Messgenauigkeit der Impedanz beträchtlich absenkt.
Folglich ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das obige Problem zu lösen und ein Brennstoffzellensystem zu entwickeln, das die Wechselstromimpedanz eines Brennstoffzellenstapels genau messen kann.
Um diese Aufgabe zu lösen ist das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem ein Brennstoffzellensystem mit einem Gleichstromumrichter zur Erhöhung und Absenkung einer Ausgangsspannung eines durch Schichtung einer Mehrzahl von Zellen gebildeten Brennstoffzellenstapels, wobei das Brennstoffzellensystem eine Steuereinheit zur Beaufschlagung des Brennstoffzellenstapels mit einem Wechselstromsignal durch Ansteuerung des Gleichstromumrichters umfasst, sowie eine Messvorrichtung für die Wechselstromimpedanz bzw. eine Wechselstromimpedanzmessvorrichtung, die eine Wechselstromimpedanz der Zelle durch Feststellung der Spannungsrückmeldung der Zelle nach der Beaufschlagung des Brennstoffzellenstapels mit dem Wechselstromsignal misst, wenn ein Betriebspunkt des Gleichstromumrichters sich außerhalb eines Betriebsbereichs befindet, in dem sich der Totzeitkompensationswert stark verändert, wobei die Wechselstromimpedanzmessvorrichtung eines Messung der Wechselstromimpedanz der Zelle verhindert, wenn sich der Betriebspunkt des Gleichstromumrichters innerhalb des Betriebsbereichs befindet, in dem sich der Totzeitkompensationswert stark verändert.
Wenn der Betriebspunkt des Gleichstromumrichters sich innerhalb des Bereichs mit reduzierter Ansprechempfindlichkeit befindet, wird vorzugsweise die Messung der Wechselstromimpedanz verhindert, weil die Genauigkeit, mit der der Gleichstromumrichter dem Brennstoffzellenstapel das Wechselstromsignal überlagert, abnimmt.
Bei einem Brennstoffzellensystem nach einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Gleichstromumrichter ein Multiphasenumwandler. Die Wechselstromimpedanzmessvorrichtung schaltet die Zahl der Phasen des Gleichstromumrichters um, um die Wechselstromimpedanz der Zelle zu messen, wenn der Betriebspunkt des Gleichstromumrichters sich innerhalb des Betriebsbereichs befindet, in dem sich der Totzeitkompensationswert stark verändert und eine Messung der Wechselstromimpedanz angefordert wird.
Wenn sich der Betriebspunkt des Gleichstromumrichters innerhalb des Bereichs mit reduzierter Ansprechempfindlichkeit befindet, und die Messgenauigkeit der Wechselstromimpedanz absinkt, wird die Messung der Wechselstromimpedanz im Betriebsbereich. in dem sich der Totzeitkompensationswert stark verändert, verhindert, die Zahl der Phasen des Gleichstromumrichters wird umgeschaltet und der Betriebspunkt des Gleichstromumrichters aus dem Bereich, in dem sich der Totzeitkompensationswert stark verändert, gebracht, und dadurch die Messgenauigkeit der Wechselstromimpedanz verbessert.
Bei einem Brennstoffzellensystem nach noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verschiebt die Wechselstromimpedanzmessvorrichtung eine den Gleichstromumrichter passierende Leistung, um den Betriebspunkt des Gleichstromumrichters aus dem Betriebsbereich, in dem sich der Totzeitkompensationswert stark verändert, zu bringen, und misst die Wechselstromimpedanz der Zelle, wenn der Betriebspunkt des Gleichstromumrichters sich innerhalb des Betriebsbereichs, in dem sich der Totzeitkompensationswert stark verändert, befindet und eine Messung der Wechselstromimpedanz angefordert wird.
Wenn sich der Betriebspunkt des Gleichstromumrichters innerhalb des Bereichs mit reduzierter Ansprechempfindlichkeit befindet und die Messgenauigkeit der Wechselstromimpedanz absinkt, wird die Messung der Wechselstromimpedanz in dem Betriebsbereich, in dem sich der Totzeitkompensationswert stark verändert, verhindert, der Betriebspunkt des Gleichstromumrichters wird durch Leistungsverschiebung bewegt und aus dem Betriebsbereich, in dem sich der Totzeitkompensationswert stark verändert, gebracht, wodurch die Messgenauigkeit des Wechselstromimpedanz verbessert werden kann.
Bei einem Brennstoffzellensystem nach noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ändert die Messvorrichtung für die Wechselstromimpedanz bzw. die Wechselstromimpedanzmessvorrichtung eine Trägerfrequenz eines Steuersignals zur Steuerung der Umschaltaktion des Gleichstromumrichters, um den Betriebspunkt des Gleichstromumrichters aus dem Betriebsbereich, in dem sich der Totzeitkompensationswert stark verändert, zu bringen, und misst die Wechselstromimpedanz der Zelle, wenn der Betriebspunkt des Gleichstromumrichters sich innerhalb des Betriebsbereichs, in dem sich der Totzeitkompensationswert stark verändert, befindet und eine Messung der Wechselstromimpedanz angefordert wird.
Wenn der Betriebspunkt des Gleichstromumrichters sich innerhalb des Betriebsbereichs befindet, in dem sich der Totzeitkompensationswert stark verändert, und die Messung der Wechselstromimpedanz angefordert wird, wird der Betriebspunkt des Gleichstromumrichters durch Änderung der Trägerfrequenz des Steuersignals zur Steuerung der Umschalt- bzw. Schaltaktion des Gleichstromumrichters aus dem Betriebsbereich, in dem sich der Totzeitkompensationswert stark verändert, gebracht, wodurch die Messgenauigkeit der Wechselstromimpedanz verbessert werden kann.
Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Ansicht, die die hauptsächliche Gestaltung eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen einer durchgeleiteten Leistung und einem Totzeitkompensationswert eines Gleichstromumformers;
3 ist ein Ablaufdiagramm, das ein erstes Verfahren zur Messung der Wechselstromimpedanz darstellt;
4 ist ein Ablaufdiagramm, das ein zweites Verfahren zur Messung der Wechselstromimpedanz darstellt;
5 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der durchgeleitenden Leistung und dem Totzeitkompensationswert eines Gleichstromumformers;
6 ist ein schematisches Diagramm, das die Beziehung zwischen einem Steuersignal zur verschiebenden Steuerung eines Gleichstromumrichters und einem in einer Drossel fließenden Welligkeitsstrom darstellt und
7 ist ein Ablaufdiagramm, das ein drittes Verfahren zur Messung der Wechselstromimpedanz darstellt.
Beste Weise zur Ausführung der Erfindung
Nun werden nachfolgend Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf jede der beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Die 1 stellt eine hauptsächliche Gestaltung eines Brennstoffzellensystems 10 gemäß einer gegenwärtigen Ausführungsform dar. Das Brennstoffzellensystem 10 ist ein im Leistungsversorgungssystem eines durch eine Brennstoffbatterie angetriebenen Fahrzeugs eingebautes bordeigenes Leistungsversorgungssystem. Das Brennstoffzellensystem 10 schließt einen Brennstoffzellenstapel 20, eine Brennstoffzellenhilfsmaschine 21, einen Messwertgeber 22 für die Zellenspannung, einen Antriebsumrichter 30, einen Antriebsmotor 40, eine Sekundärzelle bzw. einen Sammler 50, einen Gleichstromumrichter 60, Fahrzeughilfseinrichtungen 70, eine Steuereinheit 80 und Sensoren 90 ein.
Der Brennstoffzellenstapel 20 ist ein stapelförmiger Generator, in dem eine Mehrzahl von Zellen in Reihe verbunden ist, wobei jede der Zellen dadurch gebildet ist, dass ein Paar von Elektroden (ein Anodenpol und ein Kathodenpol) einen Polymerelektrolyt sandwichartig zwischen sich aufnehmen. Am Anodenpol durch katalysierte Reaktion erzeugte Protonen durchdringen eine feste Polymerelektrolytmembran, bewegen sich zum Kathodenpol und reagieren elektrochemisch mit einem Oxidationsgas, um Elektrizität zu erzeugen.
Die Brennstoffzellenhilfsmaschine 21 umfasst ein Brenngasversorgungssystem (einen Wasserstoffspeicherbehälter, ein Wasserstoffabsperrventil, einen Druckregler für die Wasserstoffversorgung und dergleichen) für die Zuleitung eines Brenngases (Wasserstoffgas) zum Anodenpol des Brennstoffzellenstapels 20, ein Oxidationsgasversorgungssystem (ein Luftkompressor und dergleichen) zur Zuleitung eines Oxidationsgases (Luft) zum Kathodenpol des Brennstoffzellenstapels 20 und andere Hilfseinrichtungen (ein Befeuchtermodul zur Befeuchtung des Brenngases und des Oxidationsgases, einen Kühler für die Brennstoffzellen und dergleichen).
Der Brennstoffzellenstapel 20 empfängt das Brenngas und das Oxidationsgas, die von der Brennstoffzellenhilfsmaschine 21 zugeführt werden, und gibt unter Anwendung einer elektrochemischen Reaktion elektrische Energie aus.
Der Antriebsmotor 40 ist ein Elektromotor, um die Antriebskraft für die Fahrt zu erzeugen, und ist beispielsweise in Dreiphasensynchronmotor.
Der Antriebsumrichter 30 umfasst beispielsweise eine von sechs Leistungstransistoren gebildete Dreiphasenbrückenschaltung und wandelt durch Anwendung der Schaltaktion der Leistungstransistoren die vom Brennstoffzellenstapel 20 oder der Sekundärzell bzw. dem Sammler 50 zugeführte Gleichstromleistung in eine Wechselstromleistung (Dreiphasenstrom) um, um den Antriebsmotor 40 zu versorgen. Die Steuereinheit 80 besitzt eine Funktion zur Steuerung der Leistungsumwandlung des Antriebsumrichters 30 und gibt beispielsweise Wechselspannungsbefehle für eine U-Phase, eine V-Phase bzw. eine W-Phase an den Antriebsumrichter 30 jeweils als Schaltbefehl aus und steuert dadurch das Ausgangsdrehmoment und die Drehzahl des Antriebsmotors 40.
Die Sekundärzelle bzw. der Sammler 50 ist ein elektrischer Kondensator, der befähigt ist, Leistung zu speichern und zu entladen, und der als Speicher regenerativer Energie fungiert, die beim regenerativen Bremsen erzeugt wird, und als Energiepuffer bei einem durch Beschleunigung oder Verzögerung eines Brennstoffzellenfahrzeugs verursachten Lastwechsel. Als Sammler 50 kann beispielsweise eine Nickel-Cadmium-Batterie oder eine Lithium-Sammelbatterie geeignet sein.
Zusätzlich kann statt des Sammlers 50 ein elektrischer Kondensator einer Kapazität (eine elektrische Doppelschichtkapazität, eine elektrolytische Kapazität oder dergleichen) mit der Primärseite des Gleichstromumrichters 60 verbunden sein.
Der Gleichstromumrichter 60 ist ein Spannungswandler zur Steuerung einer Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 oder des Sammlers 50 zur Erhöhung und Absenkung. Der Gleichstromumrichter 60 besitzt eine Schaltungsanordnung eines Mehrphasenwandlers, die durch die Kombination einer einem Wandler zur Umwandlung einer Eingangsspannung (Gleichspannung) in eine Wechselspannung ähnlichen Schaltung und einer Schaltung zur Gleichrichtung der Wechselspannung zu deren Umwandlung in eine Ausgangsspannung (Gleichspannung) gebildet wird. Insbesondere besitzt der Gleichstromumrichter 60 eine Schaltungsgestaltung eines Dreiphasen-Vollbrückenwandlers einschließlich von zwölf Isolierschicht-Bipolartransistor(IGPT = insulated gate bipolar transistor)-Elementen Tr1 bis Tr12, zwölf Diodenelementen D1 bis D12, drei Drosseln L1 bis L3 und zwei Glättungskondensatoren C1 und C2.
Wenn eine durch den Gleichstromumrichter 60 geleitete Leistung niedrig ist, weist eine Einphasenaktion einen geringeren Schaltungsverlust auf als eine Dreiphasenaktion, so dass die Einphasenaktion ausgeführt wird. Wenn die Einphasenaktion ausgeführt wird, werden ein Paar von IGBT-Elementen Tr1 und Tr10 und ein Paar von IGBT-Elementen Tr4 und Tr7 eingesetzt. Andererseits weist, wenn die durch den Gleichstromumwandler geführte Leistung hoch ist, die Dreiphasenaktion einen geringeren Schaltungsverlust auf als die Einphasenaktion, so dass die Dreiphasenaktion ausgeführt wird. Wenn die Dreiphasenaktion ausgeführt wird, werden ein Paar von IGBT-Elementen Tr1 und Tr10 und ein Paar von IGBT-Elementen Tr4 und Tr7, ein Paar von IGBT-Elementen Tr2 und Tr11 und ein Paar von IGBT-Elementen Tr5 und Tr8, sowie ein Paar von IGBT-Elementen Tr3 und Tr12 und ein Paar von IGBT-Elementen Tr6 und Tr9 mit einer Phasenverschiebung von 120° zwischen jeder Phase eingesetzt.
Mit der Primärseite des Gleichstromumrichters 60 ist der Sammler 50 verbunden und andererseits sind mit der Sekundärseite des Gleichstromumrichters 60 der Brennstoffzellenstapel 20, der Antriebsumrichter 30 und die Fahrzeughilfseinrichtungen 70 jeweils in Parallelschaltung verbunden.
Beispielsweise erhöht oder senkt der Gleichstromumrichter 60 eine Ausgangsspannung des Sammlers 50 um einen Betriebspunkt (Ausgangsspannung, Ausgangsstrom) des Brennstoffzellenstapels 20 zu steuern. Der Gleichstromumrichter 60 erhöht die Ausgangsspannung des Sammlers 50, um dem Antriebsumrichter 30 Gleichspannungsleistung zuzuführen, wenn ein Brennstoffzellenfahrzeug durch den Antriebsmotor 40 angetrieben wird, um zu fahren, während der Gleichstromumrichter die regenerative Gleichspannung senkt, um den Sammler 50 zu laden, wenn das Brennstoffzellenfahrzeug durch den Antriebsmotor 40 zur Regeneration gebremst wird. Der Gleichstromumrichter 60 besitzt zur Speicherung überschüssiger, erzeugter Leistung des Brennstoffzellenstapels 20 eine Funktion zur Absenkung der Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 zur Ladung des Sammlers 50.
Die Fahrzeughilfseinrichtungen 70 können verschiedener Art sein und beispielsweise einen Kompressormotor zur Verdichtung des Oxidationsgases, einen Pumpenantrieb zur Zufuhr entionisierten Wassers zum Befeuchtungsmodul, einen Antriebsmotor für eine Kühlwasserpumpe zur Kühlung des Brennstoffzellenstapels 20 und einen Motor für das Kühlergebläse umfassen.
Die Steuereinheit 80 ist eine Steuervorrichtung, die eine Zentraleinheit (CPU), einen Speicher (ROM, RAM), eine Eingabe-/Ausgabe-Schnittstelle und dergleichen umfasst. Die Steuereinheit 80 steuert das Brennstoffzellenfahrzeug auf der Basis verschiedener, von den Sensoren 90 zugeführter Signale. Die Sensoren 90 umfassen beispielsweise einen Zündschalter 91, einen Sensor 92 für die Fahrzeuggeschwindigkeit und einen Fahrpedalmesswertgeber 93.
Beispielsweise empfängt die Steuereinheit 80 ein vom Zündschalter 91 zugeführtes Aktivierungssignal, um die Aktion des Brennstoffzellensystems 10 zu starten, und berechnet den Leistungsbedarf des Systems insgesamt auf der Basis eines vom Fahrpedalmesswertgeber 93 zugeführten, den Fahrpedalwinkel anzeigenden Signals und eines vom Sensor 92 für die Fahrzeuggeschwindigkeit zugeführten, die Fahrzeuggeschwindigkeit anzeigenden Signals. Der Leistungsbedarf des Systems insgesamt ist die Summe der Leistung für die Fahrbewegung des Fahrzeugs und der Leistung für die Hilfseinrichtungen. Die Leistung für die Hilfseinrichtungen umfasst beispielsweise von bordeigenen Hilfseinrichtungen (ein Befeuchter, ein Luftkompressor, eine Wasserstoffpumpe, eine Kühlwasserumwälzpumpe und dergleichen) verbrauchte Leistung, Leistung verbraucht von Vorrichtungen, die für die Fortbewegung des Fahrzeugs erforderlich sind (ein Getriebe, eine Radsteuerung, ein Lenksystem, ein Federungssystem und dergleichen) und Leistung verbraucht von dem Insassenbereich zugeordneten Vorrichtungen (eine Klimaanlage, Beleuchtungseinrichtung, Audioanlage und dergleichen).
Dann legt die Steuereinheit 80 fest, wie die Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels 20 und des Sammlers 50 zu verteilen ist, steuert die Brennstoffzellenhilfsmaschine 21 zur Einstellung der Reaktionsgasströmung zum Brennstoffzellenstapel 20, damit die Erzeugung elektrischer Leistung im Brennstoffzellenstapel 20 mit einer Zielleistung übereinstimmt, und steuert den Gleichstromumrichter 60 zur Einstellung der Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20, um dadurch den Betriebspunkt (Ausgangsspannung, Ausgangsstrom) des Brennstoffzellenstapels 20 zu steuern. Des weiteren gibt die Steuereinheit 80 beispielsweise jeden der Wechselstrombefehle der U-Phase, der V-Phase und der W-Phase an den Antriebsumrichter 30 als Schaltbefehl zur Steuerung des Ausgangsdrehmoments und der Drehzahl des Antriebsmotors 40 aus, um eine dem Fahrpedalwinkel entsprechende Fahrzeuggeschwindigkeit zu erreichen.
Der Gleichstromumrichter 60 kann, um die Wechselstromimpedanz des Brennstoffzellenstapels 20 zu messen, auch als eine Vorrichtung zur Ausgabe eines Wechselstromsignals fungieren, um dem Brennstoffzellenstapel 20 ein Wechselstromsignal zuzuleiten. Der Messwertgeber 22 für die Zellenspannung misst die Spannung der Rückmeldung jeder Zelle, wenn das Wechselstromsignal auf den Brennstoffzellenstapel 20 übertragen wird. Während die Steuereinheit 80 den Gleichstromumrichter 60 steuert, um eine Frequenz des auf den Brennstoffzellenstapel 20 übertragenen Wechselstromsignals zu ändern, stellt sie eine Änderung der rückgemeldeten Spannung einer jeden Zelle durch Anwendung des Messwertgebers 22 für die Zellenspannung fest und berechnet die Wechselstromimpedanz des Brennstoffzellenstapels 20.
Wenn das Wechselstromsignal dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeleitet wird, wird die rückgemeldete Spannung des Brennstoffzellenstapels 20 mit E bezeichnet, ein rückgemeldeter Strom mit I und die Wechselstromimpedanz mit Z, und es ist bekannt, dass die folgenden Gleichungen gebildet werden können E = E₀expj(ωt + Φ) I = I₀expjωt Z = E/I = (E₀/I₀)expjΦ = R + jχ
Dabei bezeichnet E₀ eine Amplitude der rückgemeldeten Spannung, I₀ eine Amplitude des rückgemeldeten Stroms, ω eine Winkelfrequenz, Φ eine Anfangsphase, R eine Widerstandskomponente (reeler Zahlenteil), χ eine Reaktanzkomponente (imaginärer Zahlenteil), j die imaginäre Einheit und t die Zeit.
Die 2 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der durchgehenden Leistung und dem Totzeitkompensationswert des Gleichstromumformers 60. Die durchgezogene Linie zeigt eine Kurve bei der Dreiphasen-Aktion und die unterbrochene Linie eine Kurve bei der Einphasen-Aktion. Bei der Dreiphasen-Aktion wird der Totzeitkompensationswert größtenteils in einem Betriebsbereich in der Nähe von –5 kW (beispielsweise –5 kW ± 2 kW) und in einem Betriebsbereich in der Nähe von 5 kW (beispielsweise 5 kW ± 2 kW) verändert, und diese zwei Betriebsbereiche sind jeweils die Gebiete mit reduzierter Ansprechempfindlichkeit. Einerseits wird bei der Einphasen-Aktion der Totzeitkompensationswert größtenteils in einem Betriebsbereich in der Nähe von –2,5 kW (beispielsweise –2,5 kW ± 2 kW) und in einem Betriebsbereich in der Nähe von 2,5 kW (beispielsweise 2,5 ± 2 kW) verändert und diese zwei Betriebsbereiche sind jeweils die Gebiete mit reduzierter Ansprechempfindlichkeit.
Zusätzlich bedeutet die Totzeit eine Periode zur Kurzschlussverhinderung, die derart eingestellt ist, dass zwischen den IGBT-Elementen auf der Seite der oberen Abzweigungen und IGBT-Elementen auf der Seite der unteren Abzweigungen im Gleichstromumrichter 60 (beispielsweise zwischen den IGBT-Elementen Tr1 und Tr7) kein Kurzschlussstrom fließt.
Nachfolgend wird ein erstes Verfahren zum Messen der Wechselstromimpedanz des Brennstoffzellenstapels 20 unter Bezugnahme auf 3 beschrieben. Das erste Verfahren setzt voraus, dass die Steuereinheit 80 den Gleichstromumrichter 60 steuert, um die Wechselstromimpedanz des Brennstoffzellenstapels 20 in einem konstanten Zeitintervall zu messen und die Wechselstromimpedanz regelmäßig zu aktualisieren.
Die Steuereinheit 80 prüft, ob der Wert der Wechselstromimpedanz regelmäßig aktualisiert wird oder nicht (beim Schritt 301). Wenn der Wert der Wechselstromimpedanz regelmäßig aktualisiert wird (JA beim Schritt 301), wird diese Prozessroutine beendet, weil sich ergibt, dass die Wechselstromimpedanz in normaler Weise gemessen wird.
Einerseits kann, wenn der Wert der Wechselstromimpedanz nicht innerhalb eines konstanten Zeitrahmens aktualisiert wird (NEIN beim Schritt 301), die Wechselstromimpedanz nicht normal gemessen werden, weil der Betriebspunkt des Gleichstromumrichters 60 sich innerhalb des Bereichs mit reduzierter Ansprechempfindlichkeit befinden kann.
Dann verhindert in einem solchen Falle die Steuereinheit 80 die Messung der Wechselstromimpedanz, wenn der Betriebspunkt des Gleichstromumrichters 60 sich innerhalb des Bereichs mit reduzierter Ansprechempfindlichkeit befindet und gibt einen Befehl zur Schaltung der Phasen an den Gleichstromumrichter 60 aus (Schritt 302). Beispielsweise ist es möglich, wenn der Betriebspunkt des Gleichstromumrichters 60 bei der Einphasen-Aktion in der Nähe von –2,5 kW liegt, den Betriebspunkt des Gleichstromumrichters 60 aus dem Bereich mit reduzierter Ansprechempfindlichkeit durch Umschaltung der Betriebsweise des Gleichstromumrichters 60 von der Einphasen-Aktion in die Dreiphasen-Aktion herauszubringen. Auch kann beispielsweise, wenn der Betriebspunkt des Gleichstromumrichters 60 bei der Dreiphasen-Aktion in der Nähe von –5 kW liegt, der Betriebspunkt des Gleichstromumrichters 60 aus dem Bereich mit reduzierter Ansprechempfindlichkeit durch Umschaltung der Betriebsweise des Gleichstromumrichters 60 von der Dreiphasen-Aktion in die Einphasen-Aktion herausgebracht werden.
Nach Vollendung der Umschaltung der Phasen des Gleichstromumrichters 60 steuert die Steuereinheit 80 den Gleichstromumrichter 60, um das Wechelstromsignal auf den Brennstoffzellenstapel 20 zu übertragen und, basierend auf eines Sensorausgangs des Messwertgebers 22 für die Zellenspannung zu diesem Zeitpunkt die Wechselstromimpedanz des Brennstoffzellenstapels 20 zu berechnen (Schritt 303).
Nach Vollendung der Messung der Wechselstromimpedanz gibt die Steuereinheit 80 an den Gleichstromumrichter 60 einen Befehl aus, um die Phasen in den anfänglichen Betriebszustand zurückzuschalten (Schritt 304). Beispielsweise wird die Betriebsweise des Gleichstromumrichters 60 unter der Einphasen-Aktion nur für eine Messperiode der Wechselstromimpedanz auf die Dreiphasen-Aktion umgeschaltet und nach Vollendung der Messung der Wechselstromimpedanz wird ein Befehl zur Rückkehr zur anfänglichen Einphasen-Aktion ausgegeben. Auch wird beispielsweise die Betriebsweise des Gleichstromumrichters 60 unter der Dreiphasen-Aktion nur für die Messperiode der Wechselstromimpedanz auf die Einphasen-Aktion umgeschaltet und nach Vollendung der Messung der Wechselstromimpedanz wird ein Befehl zur Rückkehr zur anfänglichen Dreiphasen-Aktion ausgegeben.
Wie oben beschrieben, wird die Messung der Wechselstromimpedanz dann verhindert, die Phasen des Gleichstromumrichters 60 werden umgeschaltet und der Betriebspunk des Gleichstromumrichters 60 wird aus dem Bereich mit reduzierter Ansprechempfindlichkeit gebracht, wenn der Betriebspunk des Gleichstromumrichters 60 innerhalb des Bereichs mit reduzierter Ansprechempfindlichkeit liegt und die Messgenauigkeit absinkt, wodurch die Mgenauigkeit verbessert werden kann.
Zusätzlich fungieren die Steuereinheit 80 und der Messwertgeber 22 für die Zellenspannung als eine Vorrichtung zur Messung einer Wechselstromimpedanz (eine Vorrichtung, bei der durch Feststellung der Spannungsrückmeldung der Zelle nach Übertragung des Wechelstromsignals auf den Brennstoffzellenstapel 20 die Wechselstromimpedanz der Zelle gemessen wird, wenn der Betriebspunkt des Gleichstromumrichters 60 außerhalb des Bereichs mit reduzierter Ansprechempfindlichkeit liegt, und im Gegensatz dazu die Messung der Wechselstromimpedanz verhindert wird, die Zahl der treibenden Phasen des Gleichstromumrichters 60 umgeschaltet und die Wechselstromimpedanz der Zelle gemessen wird, wenn der Betriebspunkt des Gleichstromumrichters 60 sich innerhalb des Bereichs mit reduzierter Ansprechempfindlichkeit befindet).
Nun wird unter Bezugnahme auf 4 ein zweites Verfahren zur Messung der Wechselstromimpedanz des Brennstoffzellenstapels 20 beschrieben. Das zweite Verfahren setzt voraus, dass die Steuereinheit 80 den Gleichstromumrichter 60 steuert, um die Wechselstromimpedanz des Brennstoffzellenstapels 20 mit einem konstanten Periodenintervall zu messen, und regelmäßig den Wert der Wechselstromimpedanz aktualisiert.
Die Steuereinheit 80 prüft, ob der Wert der Wechselstromimpedanz regelmäßig aktualisiert wird oder nicht (Schritt 401).
Wenn der Wert der Wechselstromimpedanz nicht innerhalb eines konstanten Zeitrahmens aktualisiert wird (NEIN beim Schritt 401), kann die Wechselstromimpedanz nicht normal gemessen werden, weil der Betriebspunkt des Gleichstromumrichters 60 sich innerhalb des Bereichs mit reduzierter Ansprechempfindlichkeit befinden kann.
In einem solchen Falle verhindert dann die Steuereinheit 80 die Messung der Wechselstromimpedanz, wenn der Betriebspunkt des Gleichstromumrichters 60 sich innerhalb des Bereichs mit reduzierter Ansprechempfindlichkeit befindet, und berechnet einen für die Verlagerung des Betriebspunkts des Gleichstromumrichters 60 aus dem Bereich mit reduzierter Ansprechempfindlichkeit erforderlichen Betrag der Leistungsverschiebung (Schritt 402). Für den Betrag der Leistungsverschiebung, zur Verlagerung des Betriebspunkts des Gleichstromumrichters 60 aus dem Bereich mit reduzierter Ansprechempfindlichkeit kann als Zielwert der kleinere eines mindestens zur Verlagerung des Betriebspunktes aus dem Bereich mit reduzierter Ansprechempfindlichkeit erforderlichen Leistungsverschiebungsbetrages in positiver Richtung und eines Leistungsverschiebungsbetrag in negativer Richtung als Zielwert eingestellt werden, und durch den Zielwert wird die durchgehende Leistung in die positive oder negative Richtung geschaltet.
Beispielsweise wird der Fall betrachtet, in welchem der Betriebspunkt des Gleichstromumrichters 60 bei der Dreiphasen-Aktion 6 kW ist. Bei der Dreiphasen-Aktion ist der Betriebsbereich von 5 kW ± 2 kW der Bereich mit reduzierter Ansprechempfindlichkeit und um den Betriebspunkt aus diesem Bereich mit reduzierter Ansprechempfindlichkeit zu bringen, ist ein Leistungsverschiebungsbetrag gleich oder größer als 1 kW in der positiven Richtung oder ein Leistungsverschiebungsbetrag gleich oder größer als 3 kW in der negativen Richtung erforderlich. Die Leistungsverschiebung um 1 kW in der positiven Richtung erfordert einen geringeren Leistungsverschiebungsbetrag als die um 3 kW in der negativen Richtung, so dass die Leistungsverschiebung um gleich oder mehr als 1 kW in die positive Richtung vorzugsweise ausgeführt wird.
Im Gegensatz dazu ergibt sich, dass, falls der Wert der Wechselstromimpedanzregelmäßig aktualisiert wird (JA beim Schritt 401), die Wechselstromimpedanz normal gemessen wird, und es wird abgeleitet, dass der Betriebspunkt des Gleichstromumrichters 60 sich in einem Betriebsbereich außerhalb des Bereichs mit reduzierter Ansprechempfindlichkeit befindet. In einem solchen Falle ist es nicht erforderlich, den Betriebspunkt des Gleichstromumrichters 60 zu verschieben, so dass der Leistungsverschiebungsbetrag auf NULL gesetzt wird (Schritt 403).
Die Steuereinheit 80 gibt einen Befehl zur Leistungsverschiebung an den Gleichstromumrichter 60 aus um die den Gleichstromumrichter 60 passierende Leistung um den Leistungsverschiebungsbetrag zu verschieben, der beim Schritt 402 oder Schritt 403 eingestellt wurde (Schritt 404). Zu diesem Zeitpunkt kann, wenn die Leistungsverschiebung in der positiven Richtung ausgeführt wird, überschüssige Leistung im Sammler 50 gespeichert werden, die von den Fahreughilfseinrichtungen verbraucht oder in durch die Atmosphäre abzuleitende thermische Energie umgewandelt wird. Wenn eine Leistungsverschiebung in die negative Richtung ausgeführt wird, kann Leistungsmangel durch den Sammler 50 ausgeglichen werden.
Nach Vollendung der Leistungsverschiebung des Gleichstromumrichters 60 steuert die Steuereinheit 80 den Gleichstromumrichter 60, um ein Wechselstromsignal an den Brennstoffzellenstapel 20 auszugeben, und berechnet die Wechselstromimpedanz des Brennstoffzellenstapels 20 auf der Basis eines Sensorausgangs des Messwertgebers 22 für die Zellenspannung zu diesem Zeitpunkt (Schritt 405).
Nach der Vollendung der Messung der Wechselstromimpedanz gibt die Steuereinheit 80 an den Gleichstromumrichter 60 einen Befehl zur Leistungsverschiebung zur Rückkehr zur anfänglich passierenden Leistung aus (Schritt 406). Beispielsweise wird, wenn der Betriebspunkt des Gleichstromumrichters 60 bei der Dreiphasen-Aktion mit dem Betriebspunkt bei 6 kW aufgrund der Leistungsverschiebung durch den Leistungsverschiebungsbetrag 1 kW in die positive Richtung verlagert wird, nur für die Messperiode der Wechselstromimpedanz ein Befehl zur Leistungsverschiebung um 1 kW in die negative Richtung ausgegeben, um nach Vollendung der Messung der Wechselstromimpedanz zum anfänglichen Betriebspunkt zurückzukehren.
Wie oben beschrieben, wird die Messung der Wechselstromimpedanz verhindert, wenn der Betriebspunkt des Gleichstromumrichters 60 innerhalb des Bereichs mit reduzierter Ansprechempfindlichkeit liegt und die Messgenauigkeit der Wechselstromimpedanz sinkt, und durch Bewegung des Betriebspunkts des Gleichstromumrichters 60 durch Anwendung der Leistungsverschiebung wird der Betriebspunkt des Gleichstromumrichters 60 aus dem Bereich mit reduzierter Ansprechempfindlichkeit gebracht, wodurch die Messgenauigkeit der Wechselstromimpedanz verbessert werden kann.
Zusätzlich fungieren die Steuereinheit 80 und der Messwertgeber 22 für die Zellenspannung als eine Messvorrichtung für die Wechselstromimpedanz (eine Vorrichtung, bei der durch Feststellung der Spannungsrückmeldung der Zelle nach Übertragung des Wechelstromsignals auf den Brennstoffzellenstapel 20 die Wechselstromimpedanz der Zelle gemessen wird, wenn der Betriebspunkt des Gleichstromumrichters 60 außerhalb des Bereichs mit reduzierter Ansprechempfindlichkeit liegt, und im Gegensatz dazu die Messung der Wechselstromimpedanz verhindert und durch Verlagerung der den Gleichstromumrichter 60 passierenden Leistung der Betriebspunk des Gleichstromumrichters 60 aus dem Bereich mit reduzierter Ansprechempfindlichkeit herausgebracht und die Wechselstromimpedanz der Zelle gemessen wird, wenn sich der Betriebspunkt des Gleichstromumrichters 60 innerhalb des Bereichs mit reduzierter Ansprechempfindlichkeit befindet).
Die 5 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der passierenden Leistung und dem Totzeitkompensationswert des Gleichstromumformers. Die durchgezogene Linie zeig eine Kurve, die sich ergibt, wenn der Gleichstromumrichter 60 durch ein Steuersignal mit einer Trägerfrequenz f_N schaltend (switching) gesteuert wird, und man sieht, dass es in dem Betriebsbereich in der Nähe der passierenden Leistung +P2 und in dem Betriebsbereich in der Nähe der passierenden Leistung –P2 die Bereiche mit reduzierter Ansprechempfindlichkeit gibt, in denen sich der Totzeitkompensationswert stark verändert. Die unterbrochene Linie zeigt eine Kurve, die sich ergibt, wenn der Gleichstromumrichter 60 durch ein Steuersignal mit einer Trägerfrequenz f_M verlagernd (switching) gesteuert wird, und man sieht, dass es in dem Betriebsbereich in der Nähe der passierenden Leistung +P1 und in dem Betriebsbereich in der Nähe der passierenden Leistung –P1 die Bereiche mit reduzierter Ansprechempfindlichkeit gibt, in denen sich der Totzeitkompensationswert stark verändert. Anhand der Kurven kann man verstehen, dass die Positionen der Bereiche mit reduzierter Ansprechempfindlichkeit von der Trägerfrequenz abhängig sind. Der Grund ist, dass, weil ein Totzeitwert ein von der Trägerperiode unabhängiger Wert ist und es eine Veränderung der Proportion der die Trägerperiode erzeugenden Totzeit gibt, wenn die Trägerfrequenz geändert wird, sich entsprechend der Proportionsänderung der Totzeitkompensationswert ändert.
Die 6 stellt die Beziehung zwischen einem Steuersignal zur verschiebenden Steuerung der IGBT-Elemente Tr1 bis Tr12 im Gleichstromumrichter 60 und einem in den Drosseln L1 bis L3 fließenden Welligkeitsstrom dar. Zur Vereinfachung der Beschreibung wird als Beispiel der Fall der Einphasen-Aktion beschrieben und die Zeit Tn zeigt eine Zeitspanne, in der die IGBT-Elemente Tr1 und Tr10 auf EIN geschaltet sind und die Zeit Tp zeigt eine Zeitspanne, in der die IGBT-Elemente Tr4 und Tr7 auf EIN geschaltet sind. Die Trägerperiode gleicht der Summe von Tn und Tp. Wenn der Maximalwert des Welligkeitsstroms In und der Minimalwert Ip ist, gleicht die Breite des Welligkeitsstroms In – Ip. Ein Punkt, an dem der Welligkeitsstrom ein NULL-Niveau kreuzt ist mit ZP gekennzeichnet (nachfolgend als „NULL-Kreuzungspunkt” bezeichnet).
Falls der NULL-Kreuzungspunkt gegenwärtig ist, wird die Richtung des Welligkeitsstroms (Vorzeichen) häufig umgekehrt und dann wird die Durchführung der Spannungssteuerung des Gleichstromumrichters 60 beträchtlich vermindert. Dann erscheint der NULL-Kreuzungspunkt ZP als ein Bereich, in dem der Totzeitkompensationswert sich stark ändert, d. h. als ein Bereich mit reduzierter Ansprechempfindlichkeit. Andererseits ist, wenn der Maximalwert In ein negativer Wert ist oder der Minimalwert Ip einen positiven Wert aufweist, der NULL-Kreuzungspunkt nicht präsent und die Durchführung der Spannungssteuerung des Gleichstromumrichters 60 ist besser. Zudem wird das Vorzeichen des Welligkeitsstroms in Bezug auf den NULL-Kreuzungspunkt ZP symmetrisch umgekehrt, wenn der NULL-Kreuzungspunkt ZP im Zentrum der Breite des Welligkeitsstroms präsent ist, und die Durchführung der Spannungssteuerung des Gleichstromumrichters 60 wird besser.
Wie gezeigt, werden die Zeiten Tn und Tp verkürzt, wenn die Trägerfrequenz erhöht wird, so dass zu verstehen ist, dass die Breite des Welligkeitsstroms verkürzt wird. Im Gegensatz dazu werden die Zeiten Tn und Tp verlängert, wenn die Trägerfrequenz abnimmt, so dass die Breite des Welligkeitsstroms verlängert wird. Wenn die Breite des Welligkeitsstroms verändert wird, wird auch der Punkt verändert, an dem der Welligkeitsstrom das NULL-Niveau kreuzt, so dass durch Änderung der Trägerfrequenz der Betriebspunkt des Gleichstromumrichters 60 aus dem Bereich mit reduzierter Ansprechempfindlichkeit gebracht werden kann.
Nun wird unter Bezugnahe auf 7 ein drittes Verfahren zum Messen der Wechselstromimpedanz des Brennstoffzellenstapels 20 beschrieben. Das dritte Verfahren setzt voraus, dass die Steuereinheit 80 den Gleichstromumrichter 60 steuert, um die Wechselstromimpedanz des Brennstoffzellenstapels 20 bei einem konstanten Periodenintervall zu messen, und regelmäßig den Wert der Wechselstromimpedanz aktualisiert.
Die Steuereinheit 80 prüft, ob der Wert der Wechselstromimpedanz regelmäßig aktualisiert wird oder nicht (Schritt 701).
Wenn der Wert der Wechselstromimpedanz regelmäßig aktualisiert wird (JA beim Schritt 701) wird angezeigt, dassdie Wechselstromimpedanz in normaler Weise gemessen wird und dann wird die Prozessroutine beendet.
Im Gegensatz dazu kann, wenn der Wert der Wechselstromimpedanz nicht innerhalb eines konstanten Zeitrahmens gemessen wird (NEIN beim Schritt 701) die Wechselstromimpedanz nicht normal gemessen werden, weil der Arbeitspunkt des Gleichstromumrichters 60 innerhalb des Bereichs mit reduzierter Ansprechempfindlichkeit liegen kann.
Dann verhindert in einem solchen Falle die Steuereinheit 80 die Messung der Wechselstromimpedanz, wenn sich der Betriebspunkt des Gleichstromumrichters 60 innerhalb des Bereichs mit reduzierter Ansprechempfindlichkeit befindet, und gibt an den Gleichstromumrichter 60 einen Befehl aus, die Trägerfrequenz zu ändern, um den Betriebspunkt des Gleichstromumrichters 60 aus dem Bereich mit reduzierter Ansprechempfindlichkeit zu bringen (Schritt 702).
Nach Vollendung der Verschiebung der Trägerfrequenz steuert die Steuereinheit 80 den Gleichstromumrichter 60 zur Ausgabe eines Wechselstromsignals an den Brennstoffzellenstapel 20 und berechnet dann die Wechselstromimpedanz des Brennstoffzellenstapels 20 auf der Basis einer Sensorausgabe des Messwertgebers 22 für die Zellenspannung zu diesem Zeitpunkt (Schritt 703).
Nach Vollendung der Messung der Wechselstromimpedanz gibt die Steuereinheit 80 an den Gleichstromumrichter 60 einen Befehl aus, der zur anfänglichen Trägerfrequenz zurückzukehren (Schritt 704). Beispielsweise wird nach Vollendung der Messung der Wechselstromimpedanz ein Befehl zur Rückkehr zur anfänglichen Trägerfrequenz f_N an den Gleichstromumrichter 60 ausgegeben, wenn die Trägerfrequenz zeitweilig nur während einer Messperiode von f_N zu f_M wechselt.
Wie oben beschrieben, wird, wenn der Betriebspunkt des Gleichstromumrichters 60 innerhalb des Bereichs mit reduzierter Ansprechempfindlichkeit liegt und die Messgenauigkeit der Wechselstromimpedanz sinkt, die Messung der Wechselstromimpedanz verhindert und durch Änderung der Trägerfrequenz des Steuersignals zur Steuerung einer Umschaltaktion des Gleichstromumrichters 60 der Betriebspunkt des Gleichstromumrichters 60 aus dem Bereich mit reduzierter Ansprechempfindlichkeit gebracht, wodurch die Messgenauigkeit der Wechselstromimpedanz der Wechselstromimpedanz verbessert werden kann.
Zusätzlich fungieren die Steuereinheit 80 und der Messwertgeber 22 für die Zellenspannung als eine Messvorrichtung für die Wechselstromimpedanz (eine Vorrichtung, bei der durch Feststellung der Spannungsrückmeldung der Zelle nach Übertragung des Wechelstromsignals auf den Brennstoffzellenstapel 20 die Wechselstromimpedanz der Zelle gemessen wird, wenn der Betriebspunkt des Gleichstromumrichters 60 außerhalb des Bereichs mit reduzierter Ansprechempfindlichkeit liegt, und im Gegensatz dazu durch Änderung der Trägerfrequenz des Steuersignals zur Steuerung einer Umschaltaktion des Gleichstromumrichters 60 der Betriebspunkt des Gleichstromumrichters 60 aus dem Bereich mit reduzierter Ansprechempfindlichkeit gebracht und die Wechselstromimpedanz der Zelle gemessen wird, wenn sich der Betriebspunkt des Gleichstromumrichters 60 innerhalb des Bereichs mit reduzierter Ansprechempfindlichkeit befindet).
Gewerbliche Andwendbarkeit
Gemäß der Erfindung kann die Wechselstromimpedanz eines Brennstoffzellenstapels 20 genau gemessen werden.

Claims

Brennstoffzellensystem (10) mit einem Gleichstromumrichter (60) zur Erhöhung und Absenkung einer Ausgangsspannung eines durch Schichtung einer Mehrzahl von Zellen gebildeten Brennstoffzellenstapels (20), umfassend: eine Steuereinheit (80) zur Beaufschlagung des Brennstoffzellenstapels (20) mit einem Wechselstromsignal durch Ansteuerung des Gleichstromumrichters (60), und eine Wechselstromimpedanzmessvorrichtung, die eine Wechselstromimpedanz der Zelle durch Feststellung einer Spannungsrückmeldung der Zelle nach der Beaufschlagung des Brennstoffzellenstapels (20) mit dem Wechselstromsignal misst, wenn ein Betriebspunkt des Gleichstromumrichters (60) sich außerhalb eines Betriebsbereichs befindet, in dem sich der Totzeitkompensationswert stark verändert, wobei die Wechselstromimpedanzmessvorrichtung eine Messung der Wechselstromimpedanz der Zelle verhindert, wenn sich der Betriebspunkt des Gleichstromumrichters (60) innerhalb des Betriebsbereichs befindet, in dem sich der Totzeitkompensationswert stark verändert.
Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, bei welchem der Gleichstromumrichter (60) ein Multiphasenumwandler ist, und die Wechselstromimpedanzmessvorrichtung eine Zahl der Phasen des Gleichstromumrichters (60) umschaltet, um die Wechselstromimpedanz der Zelle zu messen, wenn der Betriebspunkt des Gleichstromumrichters (60) sich innerhalb des Betriebsbereichs befindet, in dem sich der Totzeitkompensationswert stark verändert und eine Messung der Wechselstromimpedanz angefordert wird.
Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, bei welchem die Wechselstromimpedanzmessvorrichtung eine den Gleichstromumrichter (60) passierende Leistung verschiebt, um den Betriebspunkt des Gleichstromumrichters (60) aus dem Betriebsbereich, in dem sich der Totzeitkompensationswert stark verändert, zu bringen, und die Wechselstromimpedanz der Zelle misst, wenn der Betriebspunkt des Gleichstromumrichters (60) sich innerhalb des Betriebsbereichs befindet, in dem sich der Totzeitkompensationswert stark verändert und eine Messung der Wechselstromimpedanz angefordert wird.
Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, bei welchem die Wechselstromimpedanzmessvorrichtung eine Trägerfrequenz eines Steuersignals zur Steuerung einer Umschaltaktion des Gleichstromumrichters (60) ändert, um den Betriebspunkt des Gleichstromumrichters (60) aus dem Betriebsbereich, in dem sich der Totzeitkompensationswert stark verändert, zu bringen, und die Wechselstromimpedanz der Zelle misst, wenn der Betriebspunkt des Gleichstromumrichters (60) sich innerhalb des Betriebsbereichs befindet, in dem sich der Totzeitkompensationswert stark verändert und eine Messung der Wechselstromimpedanz angefordert wird.