DE112008001355B4

DE112008001355B4 - Wechselstromimpedanz-Messverfahren für ein Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE112008001355B4
Application number: DE112008001355.1T
Authority: DE
Inventors: Takahiko Hasegawa; Kota Manabe
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-05-31
Filing date: 2008-05-27
Publication date: 2015-02-12
Anticipated expiration: 2028-05-28
Also published as: CN101682060A; CN101682060B; US8451006B2; JP5067707B2; DE112008001355T5; WO2008149830A1; JP2008300177A; US20100127710A1

Abstract

Wechselstromimpedanz-Messverfahren für ein Brennstoffzellensystem, das mit einer Brennstoffzelle und einer Batterieeinrichtung ausgestattet ist, die so verbunden sind, dass die Batterieeinrichtung mit Ausgangsleistung von der Brennstoffzelle geladen werden kann, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Legen (S1) eines vorgegebenen Wechselstromsignals über eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle; Erfassen (S2) eines Ausgangsspannungswerts der Batterieeinrichtung, wobei der Ausgangsspannungswert variiert, da der Ausgangsleistungswert der Brennstoffzelle, über den das Wechselstromsignal gelegt worden ist, variiert; Vergleichen (S3) des erfassten Ausgangsspannungswerts der Batterieeinrichtung mit einer vorgegebenen Schwellenspannung; und Bestimmen (S4), ob die Messung der Wechselstromimpedanz zulässig ist oder nicht, abhängig davon, ob der Ausgangsspannungswert der Batterieeinrichtung die Schwellenspannung überschreitet oder nicht, wobei bestimmt wird, dass die Messung der Wechselstromimpedanz nicht zulässig ist, wenn der Ausgangsspannungswert der Batterieeinrichtung bei oder unter einer Schwellenspannungs-Untergrenze liegt, und ...

Description

Gebiet der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wechselstromimpedanz-Messverfahren für ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, und genauer ein verbessertes Verfahren zum Messen der Impedanz einer Brennstoffzelle.
Technischer Hintergrund
In einem Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, die über eine elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff (Luft) Leistung erzeugt und die als Antriebsquelle für ein bewegliches Objekt, wie ein Fahrzeug oder ein Schiff, verwendet wird, gefriert Wasser, das sich in der Nähe der Elektroden befindet, falls die Umgebungstemperatur bei 0°C oder darunter liegt, und könnte die Diffusion von Reaktionsgas behindern oder die elektrische Leitfähigkeit einer Elektrolytmembran verringern. Genauer könnte, falls eine Brennstoffzelle in einer kalten Umgebung bei einer Temperatur von 0°C oder darunter aktiviert würde, ein Gefrieren bewirken, dass ein Reaktionsgas-Strömungsweg verstopft wird und dass ein Reaktionsgas (Wasserstoff und Luft) daran gehindert wird, zu strömen und eine Elektrolytmembran zu erreichen, und infolgedessen würde die elektrochemische Reaktion selbst dann nicht ablaufen, wenn die Brennstoffzelle mit Brenngas beschickt würde, was zur Folge hätte, dass eine Aktivierung der Brennstoffzelle nicht möglich ist. Ferner könnte der Gasströmungsweg aufgrund der Kondensation, die im Reaktionsgas-Strömungsweg stattfindet, und des resultierenden Gefrieren von Wasser blockiert werden.
Als Verfahren zur Lösung des genannten Problems des Standes der Technik offenbart beispielsweise die JP 2005-71626 A in Bezug auf ein Brennstoffzellensystem, das in einer Niedertemperaturumgebung verwendet wird, eine Technik, bei der bei einer Aktivierung bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt ein Ausgangsstrom auf einen Höchstwert gesetzt wird. Dieses Verfahren des Standes der Technik kann die eigenständige Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle erleichtern und die Aufwärmzeit verkürzen.
Hierbei offenbart die JP 2005-71626 A als Verfahren zum Messen des inneren Widerstands einer Brennstoffzelle das Messen einer Hochfrequenzimpedanz (Abschnitte [0076]–[0099]). Da der innere Widerstand einer Brennstoffzelle eine enge Beziehung mit der Menge des Wassers (im folgenden als ”Wassergehalt” bezeichnet), das in der Elektrolytmembran der Zelle zurückbleibt, aufweist, kann der Wassergehalt der Brennstoffzelle durch Messen einer Wechselstromimpedanz geschätzt werden.
Als Verfahren zum Schätzen dieses Wassergehalts offenbart beispielsweise die JP 2003-86220 A ein Brennstoffzellensystem, das die komplexe Impedanz einer Brennstoffzelle ermittelt, wenn ein Sinuswellensignal an ein Ausgangssignal der Brennstoffzelle angelegt wird, während die Frequenz von einer hohen Frequenz in eine niedrige Frequenz geändert wird, und das die Wasserbedingung der Brennstoffzelle aus einer Widerstandskomponente R1, die zunimmt, wenn der innere Wassergehalt der Brennstoffzelle nicht ausreicht, und einer Widerstandskomponente R2, die zunimmt, wenn der innere Wassergehalt zu hoch ist, schätzt. Es wird offenbart, dass die Widerstandskomponente R1 durch Anlegen eines Hochfrequenz-Sinuswellensignals gemessen wird, und dass die Widerstandskomponente R2 durch Anlegen eines Niedrigfrequenz-Sinuswellensignals gemessen wird.
Als ähnliche Technik offenbart die JP 2003-297408 A ein Brennstoffzellensystem, das so ausgelegt ist, dass es den Wassergehalt eines Messgases unter Bezugnahme auf entweder die Spannung oder den Strom einer elektrochemischen Zelle erfasst.
Ebenso offenbart die JP 2005-209635 A ein Verfahren zum Steuern der Leistungserzeugung durch eine Brennstoffzelle, in dem das Wasser erfasst wird, das sowohl in einer Elektrolytmembran als auch in einem Reaktionsgas-Strömungsweg zurückgeblieben ist, um die Feuchtigkeit eines Reaktionsgases zu steuern, wodurch das Wasser, das in der Elektrolytmembran zurückbleibt, während der Fortsetzung des Brennstoffzellen-Betriebs optimiert wird, und in dem infolgedessen eine Spülzeit beim Anhalten der Brennstoffzelle verkürzt oder eliminiert werden und das Startverhalten beim Neustarten der Brennstoffzelle verbessert werden kann.
Ferner offenbart die JP 2005-332702 A eine Brennstoffzellen-Diagnosevorrichtung, die unter Verwendung eines Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers, der die Spannung einer Brennstoffzelle mit n Zellen oder Zellenmodulen erhöht/senkt, die Spannungsänderung jeder Zelle usw. misst, wenn ein Wechselstrom mit einer vorgegebenen Frequenz an die Brennstoffzelle angelegt wird, wodurch deren innerer Widerstand gemessen wird, und die einen Fehler in jeder der Zellen usw. aus dem genannten inneren Widerstand und der Reaktanz erfasst.
Hierbei ist die in der JP 2005-71626 A offenbarte Erfindung auch eine Erfindung, die gemacht wurde, um einen Verlust oder eine Verschlechterung von Kohlenstoff in der Anode aufgrund einer Oxidation des Kohlenstoffs zu verhindern, die stattfinden würde, wenn die Zellenspannung der Brennstoffzellen-Spannung unter einen bestimmten Spannungswert sinken würde, und um eine solche Situation zu vermeiden, wird ein Ausgangsstrom auf einen Höchstwert gesetzt, der so bemessen ist, dass die Zellenspannung der Brennstoffzelle nicht unter die bestimmte Spannung sinkt.
Brennstoffzellensysteme und Verfahren zum Messen der Wechselstromimpedanz oder anderer Parameter in einem Brennstoffzellensystem sind zudem offenbart in der US 6,573,652 B1 , der US 2006/0074574 A1 , der DE 100 83 954 B4 , der JP 2001-317400 A sowie der DE 11 2006 001 747 T5 , die den nächstkommenden Stand der Technik bildet.
Die DE 11 2006 001 747 T5 offenbart ein Brennstoffzellensystem mit einem Impedanzmessmittel zur Messung der Wechselstromimpedanz, wenn festgestellt wird, daß die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle sich in einem stabilen Zustand befindet.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Jedoch kommt es in den im oben genannten technischen Hintergrund beschriebenen Brennstoffzellen des Standes der Technik, wenn die Impedanz einer Brennstoffzelle (im Folgenden auch als ”BZ” bezeichnet) auf der Basis eines Wechselstromimpedanz-Verfahrens gemessen wird, auch in der Ausgangsspannung einer Batterieeinrichtung zu einer Spannungsänderung gemäß dem angelegten Wechselstromsignal. Falls der Mindestwert bei der oben genannten Spannungsänderung zu gering ist, entsteht das Problem, dass sich dies nachteilig auf die Zellen auswirken könnte, aus denen die Batterieeinrichtung besteht.
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts des genannten Problems des Standes der Technik gemacht, und ein Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Wechselstromimpedanz-Messverfahrenes für ein Brennstoffzellensystems, das eine Batterieeinrichtung schützen kann, wenn die Wechselstromimpedanz einer Brennstoffzelle gemessen wird.
Das genannte Problem wird gelöst mit dem Wechselstromimpedanz-Messverfahren für ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1. Das Brennstoffzellensystem weist dabei eine Brennstoffzelle und eine Batterieeinrichtung auf, die so verbunden sind, dass die Batterieeinrichtung mit Ausgangsleistung von der Brennstoffzelle geladen werden kann, und ist so ausgelegt, dass es die Wechselstromimpedanz der Brennstoffzelle messen kann, wobei in dem Brennstoffzellensystem die Messung der Wechselstromimpedanz zugelassen wird, wenn ein Ausgangsspannungswert der Batterieeinrichtung in einen vorgegebenen Bereich von Schutzspannungswerten fällt, mit denen die Batterieeinrichtung geschützt werden kann.
Hierzu weist das Wechselstromimpedanz-Messverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung die folgenden Schritte auf: Legen eines vorgegebenen Wechselstromsignals über eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle; Erfassen eines Ausgangsspannungswerts der Batterieeinrichtung, wobei der Ausgangsspannungswert variiert, da der Ausgangsspannungswert der Brennstoffzelle, über den das Wechselstromsignal gelegt worden ist, variiert; Vergleichen des erfassten Ausgangsspannungswerts der Batterieeinrichtung mit einer vorgegebenen Schwellenspannung; und Bestimmen, ob die Messung der Wechselstromimpedanz zulässig ist oder nicht, abhängig davon, ob der Ausgangsspannungswert der Batterieeinrichtung die Schwellenspannung überschreitet oder nicht, wobei bestimmt wird, dass die Messung der Wechselstromimpedanz nicht zulässig ist, wenn der Ausgangsspannungswert der Batterieeinrichtung bei oder unter einer Schwellenspannungs-Untergrenze liegt, und wobei die Schwellenspannungs-Untergrenze auf einen Spannungswert gesetzt wird, der durch Addieren einer vorgegebenen Toleranz zu einem Zellenschutzspannungswert der Batterieeinrichtung erhalten wird.
Mit der beschriebenen Gestaltung wird der Bereich der Schutzsspannungswerte, bei denen es sich um Ausgangsspannungswerte der Batterieeinrichtung handelt, mit denen die Batterieeinrichtung geschützt werden kann, vorab bestimmt, und die Messung der Wechselstromimpedanz wird nur zugelassen, wenn der Ausgangsspannungswert der Batterieeinrichtung gemäß der Spannungsänderung, die auf die für die Messung der Wechselstromimpedanz nötige Anlegung des Wechselstromsignals zurückgeht, in den genannten Schutzspannungsbereich fällt, und somit kann verhindert werden, dass der Ausgangsspannungswert auf einen Spannungswert sinkt, der für die Batterieeinrichtung nachteilig sein könnte, und der Schutz der Batterieeinrichtung kann gewährleistet werden.
Hierbei kann die Zulässigkeit der Wechselstromimpedanz-Messung durch Erfassen der Spannungsänderung der Batterieeinrichtung bei einer tatsächlichen Anlegung eines Wechselstromsignals an den Ausgang der Brennstoffzelle bestimmt werden, und die Zulässigkeit der Wechselstromimpedanz-Messung kann auch ohne eine tatsächliche Anlegung des Wechselstromsignals bestimmt werden, indem statt dessen der Bereich der Schutzspannungswerte gemäß einem vorläufig geschätzten Bereich der Änderung bzw. Variation der Batterieeinrichtungs-Ausgangsspannung, die bei Anlegung eines Wechselstromsignals stattfinden würde, eingestellt wird.
Falls die Zulässigkeit dadurch bestimmt wird, dass tatsächlich ein Wechselstromsignal angelegt wird, weist das genannte Brennstoffzellensystem auf: eine Spannungsüberlagerungseinheit, die ein vorgegebenes Wechselstromsignal über eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle legt; eine Einheit, die einen Ausgangsspannungswert der Batterieeinrichtung erfasst, wobei der Ausgangsspannungswert variiert, da der Ausgangsspannungswert der Brennstoffzelle, über den das Wechselstromsignal gelegt worden ist, variiert; eine Batterieeinrichtungs-Spannungsvergleichseinheit, die den erfassten Ausgangsspannungswert der Batterieeinrichtung mit einer vorgegebenen Schwellenspannung vergleicht; und eine Messungszulässigkeits-Bestimmungseinheit, die abhängig davon, ob der Ausgangsspannungswert der Batterieeinrichtung die Schwellenspannung überschreitet oder nicht, bestimmt, ob die Messung der Wechselstromimpedanz zulässig ist oder nicht.
Mit der beschriebenen Gestaltung legt die Spannungsüberlagerungseinheit ein Wechselstromsignal über die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle, die Ausgangsspannungswert-Erfassungseinheit erfasst den Ausgangsspannungswert der Batterieeinrichtung, die Batterieeinrichtungs-Spannungsvergleichseinheit vergleicht den erfassten Ausgangsspannungswert der Batterieeinrichtung mit einer vorgegebenen Schwellenspannung, und die Messungszulässigkeits-Bestimmungseinheit bestimmt abhängig davon, ob der Ausgangsspannungswert der Batterieeinrichtung die Schwellenspannung überschreitet oder nicht, ob die Messung der Wechselstromimpedanz zulässig ist oder nicht. Mit diesen Operationen kann verhindert werden, dass die Messung der Wechselstromimpedanz in einem Zustand fortgesetzt wird, wo ein Augenblickswert des Batterieeinrichtungs-Ausgangsspannungswerts aufgrund der Wirkung des an die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle angelegten Wechselstromsignals die Schwellenspannung überschreitet.
In dem beschriebenen Brennstoffzellensystem wird die Messung der Wechselstromimpedanz ferner über einen vorgegebenen Zeitraum ausgesetzt, falls bestimmt wird, dass die Messung der Wechselstromimpedanz nicht zulässig ist.
Mit dieser Gestaltung wird die Messung der Wechselstromimpedanz für eine Weile unterbrochen, falls die Messung der Wechselstromimpedanz nicht zulässig ist. Falls eine Zeit, die ausreicht, damit sich die Ausgangsspannung der Batterieeinrichtung auf den normalen Pegel erholt, als Unterbrechungsdauer ausgewählt wird, kann eine unnötige Verarbeitung für die Bestimmung der Zulässigkeit einer Wechselstromimpedanzmessung vermieden werden.
Wie vorstehend dargestellt, wird die Messung der Wechselstromimpedanz als nicht zulässig bestimmt, falls die Ausgangsspannung der Batterieeinrichtung bei oder unter einer Schwellenspannungs-Untergrenze liegt. Mit dieser Gestaltung wird eine Untergrenze für den Bereich der Schutzspannungswerte eingerichtet, und demgemäß können Nachteile, einschließlich einer Zerstörung der Zelle, die eintreten würden, falls der Ausgangsspannungswert der Batterieeinrichtung unter diesen Schutzspannungswert sinken würde, vermieden werden.
Hierbei ist die Schwellenspannungs-Untergrenze so eingestellt, dass sie ein Spannungswert ist, der durch Addieren einer vorgegebenen Toleranz zu einem Zellenschutzspannungswert der Batterieeinrichtung erhalten wird. Mit dieser Einstellung wird anhand der Schwellenwert-Untergrenze, für die noch eine Toleranz zum Zellenschutzspannungswert addiert wird, bestimmt, ob die Messung der Wechselstromimpedanz zulässig ist oder nicht, und infolgedessen kann, wenn eine ausreichende Toleranz eingestellt wird, sichergestellt werden, dass der Ausgangsspannungswert der Batterieeinrichtung den Zellenschutzspannungswert erreicht.
Ferner kann beispielsweise die Messung der Wechselstromimpedanz als nicht zulässig bestimmt werden, falls der Ausgangsspannungswert der Batterieeinrichtung bei oder über einer Schwellenspannungs-Obergrenze liegt. Mit dieser Gestaltung wird eine Obergrenze für den Bereich der Schutzspannungswerte eingerichtet, und demgemäß können Nachteile, einschließlich der Anlegung einer Überspannung, die sich einstellen würden, falls der Ausgangsspannungswert der Batterieeinrichtung diesen Schutzspannungswert überschreiten würde, vermieden werden.
Hierbei ist es beispielsweise bevorzugt, dass die Schwellenspannungs-Obergrenze auf einen Spannungswert gesetzt wird, der durch Subtrahieren einer vorgegebenen Toleranz von einem Überspannungsschutzspannungswert der Batterieeinrichtung erhalten wird. Mit dieser Einstellung wird anhand der Schwellenobergrenze, für die noch eine Toleranz vom Überspannungsschutzspannungswert subtrahiert wird, bestimmt, ob die Messung der Wechselstromimpedanz zulässig ist oder nicht, und infolgedessen kann, falls eine ausreichende Toleranz eingestellt wird, sichergestellt werden, dass der Ausgangsspannungswert der Batterieeinrichtung den Überspannungsschutzspannungswert nicht erreicht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist ein Schema, das den Aufbau der Hauptkomponenten eines Elektrofahrzeugs zeigt, das mit einem Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist.
2 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen Ausgangsspannung und Ausgangsstrom eines BZ-Stapels 10 in einem Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt:
3 ist ein Blockschema, das Hauptfunktionsblöcke einer Steuereinheit 50 in einem Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
4 ist ein Ablaufschema, das Steuerprozesse darstellt, darstellt, die eine Impedanzmessungsverarbeitung für einen BZ-Stapel 10 in einem Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Ergebnis haben.
5 ist ein Schema, das eine Ausgangsspannung oder Ausgangsleistung einer Brennstoffzelle und einer Batterieeinrichtung darstellt, wobei: 5(a) einen Brennstoffzellen-Ausgangsspannungswert V_BZ darstellt, über den ein Wechselstromsignal (eine Sinuswellenspannung) gelegt wurde; 5(b) einen Brennstoffzellen-Ausgangsleistungswert PBZ darstellt, der aufgrund der Wirkung des über den Brennstoffzellen-Ausgangsspannungswert V_BZ gelegten Wechselstromsignals variiert; 5(c) einen Batterieeinrichtungs-Ausgangsleistungswert P_BAT gemäß der mit einer Änderung des Brennstoffzellen-Ausgangsleistungswerts PBZ einhergehenden Änderung einer Leistung, die einen Spannungswandler (Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler) durchläuft, darstellt; und 5(d) einen Ausgangsspannungswert V_BAT der Batterieeinrichtung darstellt, der aufgrund der Wirkung der Änderung des Batterieeinrichtungs-Ausgangsleistungswerts P_BAT variiert.
BESTE WEISE FÜR DIE AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Die am meisten bevorzugte Ausführungsform des Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachstehend ausführlich unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben. In dieser Ausführungsform wird das Brennstoffzellensystem in einem Elektrofahrzeug verwendet, das unter Verwendung einer Brennstoffzelle als Leistungsquelle fährt (Brennstoffzellen-Fahrzeug).
1 ist ein Schema, das den Aufbau der Hauptkomponenten eines Elektrofahrzeugs zeigt, das mit einem Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist.
Wie in 1 dargestellt, weist das Brennstoffzellensystem gemäß dieser Ausführungsform eine Brennstoffzelle 10 auf, die aufgrund einer elektrochemischen Reaktion zwischen Brenngas (z. B. Wasserstoffgas) und Oxidierungsgas (z. B. sauerstoffhaltiger Luft) Leistung erzeugt. In dieser Ausführungsform weist die Brennstoffzelle eine Stapelstruktur auf, die aus einer Vielzahl von geschichteten Zellen gebildet ist, wobei jede Zelle einen Grundaufbau aufweist, bei dem eine Festpolymer-Elektrolytmembran zwischen einer Sauerstoffelektrode (einer positiven Elektrode, Kathode) 10a und einer Wasserstoffelektrode (einer negativen Elektrode, Anode) 10b angeordnet ist. Im Folgenden wird diese Stapelstruktur der Brennstoffzelle auch als BZ-Stapel bezeichnet.
Im BZ-Stapel 10 wird elektrische Energie durch die folgenden elektrochemischen Reaktionen erzeugt, die auf der Seite der Sauerstoffelektrode 10a und auf der Seite der Wasserstoffelektrode 10b ablaufen:

(Sauerstoffelektroden-Seite) 2H⁺ + 1/2O₂ + 2e^– → H₂O
(Wasserstoffelektroden-Seite) H₂ → 2H⁺ + 2e^–
Das Brennstoffzellensystem ist mit einem Luft-Strömungsweg 20 für die Zufuhr von Luft zur Seite der Sauerstoffelektrode 10a des BZ-Stapels 10 und einem Wasserstoff-Strömungsweg 30 für die Zufuhr von Wasserstoff zur Seite der Wasserstoffelektrode 10b des BZ-Stapels 10 versehen.
Der Luft-Strömungsweg 20 ist mit einem Luftpumpengebläse (Kompressor) 21 für die Zufuhr von Luft ausgestattet. Der Luft-Strömungsweg 20 weist Sperrventile 22 bzw. 23 am Lufteinlass und am Luftauslass des BZ-Stapels 10 auf. Die Sperrventile 22 und 23 sind so gestaltet, dass das Einströmen von Außenluft in das Innere des BZ-Stapels 10 und das Innere des Luft-Strömungswegs 20 blockiert werden kann, wenn diese Ventile geschlossen werden.
Der Wasserstoff-Strömungsweg 30 ist mit einer Wasserstoff-Zufuhreinheit 31 versehen, durch die Wasserstoff zugeführt wird. Der Wasserstoff-Strömungsweg 30 weist Sperrventile 32 bzw. 33 am Wasserstoffeinlass und -auslass des BZ-Stapels 10 auf. Die Sperrventile 32 und 33 sind so gestaltet, dass die Wasserstoffzufuhr zum BZ-Stapel 10 blockiert werden kann, wenn diese Ventile geschlossen werden.
Der Luft-Strömungsweg 20 und der Wasserstoff-Strömungsweg 30 sind ferner mit Befeuchtern versehen, die in der Zeichnung nicht dargestellt sind. Durch die Befeuchter wird Luft im Luft-Strömungsweg 20 und Wasserstoff im Wasserstoff-Strömungsweg 30 befeuchtet, und befeuchtete Luft und befeuchteter Wasserstoff werden zum BZ-Stapel 10 geliefert. Mit dieser Gestaltung arbeitet der BZ-Stapel 10 während er innen feucht gehalten wird. Ebenso wird auf der Seite der Sauerstoffelektrode 10a Wasser durch die oben beschriebene elektrochemische Reaktion erzeugt.
Der BZ-Stapel 10 ist ferner mit einem Kühlsystem 40–45 versehen. Das Kühlsystem weist einen Kühlmittel-Strömungsweg 40 für die Umwälzung eines Kühlmittels (Wärmeträgers) durch den BZ-Stapel 10, eine Wasserpumpe 41 zum Umwalzen des Kühlmittels, und einen Kühlkörper 42 mit einem Gebläse 43 auf. Der Kühlkörper 42 und das Gebläse 43 bilden eine Kühleinheit. Im Kühlmittel-Strömungsweg 40 ist eine Umgehung 44, die es dem Kühlmittel ermöglicht, den Kühlkörper 42 zu umgehen, parallel zum Kühlkörper 42 vorgesehen. Der Strömungsweg des Kühlmittels kann unter Verwendung eines Kühlmittel-Schaltventils 45 zwischen der Seite des Kühlkörpers 43 und der Seite der Umgehung 44 umgeschaltet werden.
Das genannte Kühlsystem ist so gestaltet, dass es Wärme, die einhergehend mit der Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle erzeugt wird, entfernen kann, indem es den Umfang der Kühlung im BZ-Stapel 10 über eine Steuerung der Umwalzströmungsrate durch die Wasserpumpe 41, eine Steuerung der Luft-Strömungsrate durch den Kühlkörper 42 und das Gebläse 43 und eine Steuerung der Umgehungsströmungsrate durch das Kühlmittel-Schaltventil 45 steuert und dadurch die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle auf eine Temperatur steuert, die sich für die elektrochemische Reaktion eignet (etwa 80°C).
Dieses Brennstoffzellensystem ist ferner mit einem Temperatursensor 14, der die Temperatur des Brennstoffzellenstapels selbst erfasst, und mit einem Außenluft-Temperatursensor 15, der die Temperatur der Außenluft erfasst, ausgestattet.
Ferner ist der BZ-Stapel 10 so gestaltet, dass er Leistung zu elektrischen Einrichtungen, wie einem elektrischen Fahrmotor des Fahrzeugs (einer Last) 11 und einer Sekundärbatterie 12, liefert. Ein Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler (eine Ausgangsstrom-Steuereinheit) 13, die den Ausgangsspannungswert des BZ-Stapels 10 regelt, ist zwischen dem BZ-Stapel 10 und der Sekundärbatterie 12 vorgesehen.
Der Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 13 ist so ausgelegt, dass er in der Lage ist, den primärseitigen (brennstoffzellenseitigen) Ausgangsspannungswert unter der Steuerung der Steuereinheit 50 willkürlich zu ändern.
2 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen Ausgangsspannung und Ausgangsstrom eines BZ-Stapels 10 in einem Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Wie in 2 dargestellt, besteht eine Korrelation zwischen Ausgangsspannung und Ausgangsstrom des BZ-Stapels 10, und der BZ-Stapel 10 weist die folgenden Eigenschaften auf: wenn der Ausgangsstrom zunimmt, nimmt die Ausgangsspannung ab, und wenn der Ausgangsstrom abnimmt, nimmt die Ausgangsspannung zu. Somit ist der Ausgangsstrom des BZ-Stapels 10 so ausgelegt, dass er durch Steuern der Ausgangsspannung des BZ-Stapels 10 durch den Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 13 aufgrund des Steuersignals von der Steuereinheit 50 willkürlich gesteuert werden kann.
Außerdem ist der Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 13 so gestaltet, dass er in der Lage ist, aufgrund der Steuersignale von der Steuereinheit 50 ein Wechselstromsignal über den primärseitigen (brennstoffzellenseitigen) Ausgang zu legen. Dieses Wechselstromsignal wird für die Messung der Wechselstromimpedanz verwendet. Beispielsweise legt der Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 13 durch Anlegen einer Wechselspannung mit einer vorgegebenen Frequenz an einen Steueranschluss einer aktiven Komponente, die so vorgesehen ist, dass sie eine Stromleitung modulieren kann, ein Wechselstromsignal an die Primärseite an. Eine Spannungsänderung, die von dem Wechselstromsignal verursacht wird, das über die Primärseite gelegt wird, beeinflusst auch die Sekundärseite des Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers 13.
Ein Stromsensor 34 und ein Spannungssensor 24 sind für eine Messung der Wechselstromimpedanz mit der Primärseite des Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers 13 verbunden. Ebenso ist ein Spannungssensor 16, der einen Ausgangsspannungswert der Sekundärseite erfassen kann, auf der Sekundärseite des Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers 13 vorgesehen. Dieser Spannungssensor 16 erfasst die Änderung des Ausgangsspannungswerts der Sekundarbatterie 12 gemäß der vorliegenden Erfindung.
Das Brennstoffzellensystem gemäß dieser Ausführungsform ist ferner mit einer Steuereinheit (ECU) 50 versehen, die verschiedene Steuerfunktionen ausführt. Die Steuereinheit 50 empfängt als Eingaben: ein Leistungsbedarfssignal von der Last 11, ein Temperatursignal vom Temperatursensor 14, ein Außenluft-Temperatursignal vom Außenluft-Temperatursensor 15, Erfassungssignale vom Stromsensor 24 und vom Spannungssensor 34 usw. Die Steuereinheit 50 ist ferner so ausgelegt, dass sie Steuersignale an die Sekundärbatterie 12, den Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 13, ein Gebläse 21, eine Wasserstoff-Zufuhreinheit 31, eine Wasserpumpe 41, ein Kühlkörpergebläse 43, ein Kühlmittel-Schaltventil 45 usw. ausgibt. Durch die Ausgabe von Steuersignalen an den Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 13 kann die Steuereinheit 50 ein Wechselstrom(Sinuswellen)-Signal über die Sekundärseite des Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers 13 legen. Ebenso kann die Steuereinheit 50 die Änderung des Ausgangsspannungswerts der Sekundärseite des Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers 13 durch Empfangen von Erfassungssignalen vom Spannungssensor 16 erfassen.
3 ist ein Blockschema, das Hauptfunktionsblöcke einer Steuereinheit 50 in einem Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
Wie in 3 dargestellt, weist die Steuereinheit 50 als Hauptfunktionsblöcke einen Spannungsüberlagerer 501 (eine Spannungsüberlagerungseinheit), einen Batterieeinrichtungs-Ausgangsspannungsdetektor 502 (eine Einheit zum Erfassen der Ausgangsspannung der Batterieeinrichtung), einen Batterieeinrichtungs-Spannungskomparator 503 (eine Batterieeinrichtungs-Spannungsvergleichseinheit) und einen Messungszulässigkeitsbestimmer 504 (eine Messungszulässigkeits-Bestimmungseinheit) auf.
Der Spannungsüberlagerer 501 entspricht dem Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 13, der unter der Steuerung der Steuereinheit 50 ein Wechselstromsignal an eine Stromleitung anlegt. Der Batterieeinrichtungs-Ausgangsspannungsdetektor 502 entspricht dem Spannungssensor 16, der einen Ausgangsspannungswert V_BAT der Sekundärbatterie 12 erfasst und ein Erfassungssignal an die Steuereinheit 50 ausgibt. Der Batterieeinrichtungs-Spannungskomparator 503 und der Messungszulässigkeitsbestimmer 504 entsprechen der Steuereinheit 50, die Informationen in Bezug auf den Bereich der Schutzspannungswerte für die Sekundärbatterie 12 vorläufig speichert.
Der Spannungsüberlagerer 501 legt ein Wechselstromsignal über die Ausgangsspannung des BZ-Stapels 10. Das Batterieeinrichtungs-Ausgangsspannungserfassungsteil 502 erfasst den Ausgangsspannungswert der Sekundärbatterie 12, der sich einhergehend mit der Änderung des Ausgangsspannungswerts der Primärseite des Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers 13, über die das Wechselstromsignal gelegt worden ist, ändert. Der Batterieeinrichtungs-Spannungskomparator 503 vergleicht den erfassten Ausgangsspannungswert der Sekundärbatterie 12 und eine vorgegebene Schwellenspannung. Der Messungszulässigkeitsbestimmer 504 bestimmt abhängig davon, ob der Ausgangsspannungswert der Sekundärbatterie 12 die Schwellenspannung überschreitet oder nicht, ob die Messung der Wechselstromimpedanz zulässig ist oder nicht.
Genauer wird, falls ein Befehl zum Messen der Impedanz des BZ-Stapels 10 ausgegeben wird, beispielsweise um den Wassergehalt des BZ-Stapels 10 zu schätzen, der Spannungsüberlagerer 501 aktiviert, und dieser legt ein Wechselstromsignal, beispielsweise ein Sinuswellensignal, mit einer vorgegebenen Frequenz über die Ausgangsspannung des BZ-Stapels 10.
Da die Ausgangsseite des BZ-Stapels 10 über den Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 13 mit der Ausgangsseite der Sekundärbatterie 12 verbunden ist, beeinflusst das an die Ausgangsspannung des BZ-Stapels 10 angelegte Wechselstromsignal die Ausgangsspannung der Sekundärbatterie 12, und der Ausgangsspannungswert der Sekundärbatterie 12 variiert ebenfalls. Der Batterieeinrichtungs-Ausgangsspannungsdetektor 502 (der Spannungssensor 16) erfasst diesen variierenden Ausgangsspannungswert V_BAT der Sekundärbatterie 12.
Der Batterieeinrichtungs-Spannungskomparator 503 vergleicht den erfassten Ausgangsspannungswert der Sekundärbatterie 12, beispielsweise den Mindestwert (Augenblickswert) des Ausgangsspannungswerts, mit einer vorab gespeicherten Schwellenspannung. Der Messungszulässigkeitsbestimmer 504 bestimmt abhängig davon, ob der Ausgangsspannungswert V_BAT der Sekundärbatterie 12 die Schwellenspannung überschreitet oder nicht, ob die befohlene Messung der Impedanz des Brennstoffzellestapels 10 zulässig ist oder nicht.
Falls im Batterieeinrichtungs-Spannungsvergleichsteil 503 bestimmt wird, dass die Messung der Impedanz des BZ-Stapels 10 zulässig ist, setzt der Messungszulässigkeitsbestimmer 504 beispielsweise ein Flag, das anzeigt, dass die Messung der Wechselstromimpedanz zulässig ist. Falls bestimmt wird, dass die Messung der Impedanz des BZ-Stapels 10 nicht zulässig ist, setzt der Messungszulässigkeitsbestimmer 504 beispielsweise ein Flag, das anzeigt, dass die Messung der Wechselstromimpedanz nicht zulässig ist. Dann setzt der Messungszulässigkeitsbestimmer 504 die Impedanzmessung für einen vorgegebenen Zeitraum aus (unterbricht diese) und überprüft nach Ablauf des Aussetzungszeitraums, ob ein Befehl zum Aufheben der Impedanzmessung ausgegeben wurde oder nicht. Falls kein Befehl zum Aufheben der Impedanzmessung ausgegeben wurde, wird die Impedanzmessung neu gestartet. Falls ein Befehl zum Aufheben der Impedanzmessung ausgegeben wurde, wird die Impedanzmessungsverarbeitung beendet.
4 ist ein Ablaufschema, das Steuerprozesse darstellt, die eine Impedanzmessungsverarbeitung für einen BZ-Stapel 10 in einem Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Ergebnis haben.
Man beachte, dass in diesem Ablaufschema bereits ein Befehl zum Messen der Impedanz des BZ-Stapels 10 an die Steuereinheit 50 ausgegeben wurden ist.
Zuerst legt der Spannungsüberlagerer 501 in Schritt S1 ein Wechselstromsignal mit einer vorgegebenen Frequenz über die Ausgangsspannung des BZ-Stapels 10. Genauer gibt die Steuereinheit 50 ein Steuersignal an den Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 13 aus, und der Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 13 moduliert die Stromleitung mit einem Wechselstromsignal und legt das Wechselstromsignal über deren Primärseite.
Dann erfasst der Batterieeinrichtungs-Ausgangsspannungsdetektor 502, d. h. der Spannungssensor 16, in Schritt S2 den Ausgangsspannungswert V_BAT der Sekundärbatterie 12. Von den erfassten Ausgangsspannungswerten V_BAT der Sekundärbatterie 12 bezieht sich der Batterieeinrichtungs-Spannungskomparator 503 insbesondere auf den Mindestwert (Augenblickswert).
Danach bestimmt der Batterieeinrichtungs-Spannungskomparator 503 in Schritt S3, ob der Mindestwert (Augenblickswert) des Ausgangsspannungswerts der Sekundärbatterie 12 ein Spannungswert ist, der höher ist als eine vorgegebene Schwellenspannung Vref. Die Schwellenspannung Vref ist eine Schwellenspannungs-Untergrenze, die durch Addieren einer vorgegebenen Toleranz zu einer Zellenschutzspannung für den Schutz einer inneren Komponente, d. h. einer Zelle, der Sekundärbatterie 12, erhalten wird.
Falls als Ergebnis dieses Vergleichs der Mindestwert ein Spannungswert ist, der höher ist als die (Untergrenze der) Schwellenspannung (JA), geht die Verarbeitung weiter zu Schritt S4, und der Messungszulässigkeitsbestimmer 504 bestimmt, dass der Ausgangsspannungswert der Sekundärbatterie 12 größer bleibt als der Zellenschutzspannungswert, auch wenn das Wechselstromsignal darüber gelegt wird, und wechselt zur Steuerung für die Zulassung der Wechselstromimpedanzmessung.
Falls dagegen als Ergebnis des Vergleichs der Mindestwert kein Spannungswert ist, der höher ist als die (Untergrenze der) Schwellenspannung (NEIN), geht die Verarbeitung zu Schritt S5 weiter, und der Messungszulässigkeitsbestimmer 504 bestimmt, dass der Ausgangsspannungswert der Sekundärbatterie 12 unter den Zellenschutzspannungswert sinken könnte, falls das Wechselstromsignal darüber gelegt würde, und wechselt zur Steuerung für die Nichtzulassung der Wechselstromimpedanzmessung.
Genauer geht die Verarbeitung zu Schritt S5 weiter, und die Fortsetzung der Impedanzmessung wird für einen vorgegebenen Zeitraum ausgesetzt, um die Sekundärbatterie 12 zu schützen, und dann geht die Verarbeitung zu Schritt 56 weiter.
In Schritt 56 überprüft der Messungszulässigkeitsbestimmer 504, ob ein Befehl zum Aufheben der Impedanzmessung ausgegeben wurde oder nicht. Falls dieser Aufhebungsbefehl nicht ausgegeben wurde (NEIN), geht die Verarbeitung zurück zu Schritt S1, und falls dieser Aufhebungsbefehl ausgegeben wurde (JA), endet die Verarbeitung.
Man beachte, dass im oben beschriebenen Schritt S3 der Ausgangsspannungswert der Sekundärbatterie mit der Schwellenwert-Untergrenze verglichen wird, und dass die Messung der Wechselstromimpedanz verhindert wird, falls bestimmt wird, dass er bei oder unter der Schwellenwert-Untergrenze liegt; zusätzlich zum genannten Prozess kann jedoch ein Prozess hinzugefügt werden, in dem der Ausgangsspannungswert der Sekundärbatterie ferner mit einer Schwellenwert-Obergrenze verglichen wird und die Messung der Wechselstromimpedanz verhindert (ausgesetzt) wird, falls bestimmt wird, dass er bei oder über der Schwellenwert-Obergrenze liegt. In diesem Fall ist die Schwellenwert-Obergrenze vorzugsweise ein Spannungswert, der durch Subtrahieren einer vorgegebenen Toleranz von einer Überspannungs-Schutzspannung für den Schutz der Sekundärbatterie 12 vor einer Überspannung erhalten wird.
Ferner kann die Bestimmung, ob eine Toleranz zum Schwellenwert addiert bzw. subtrahiert wird, willkürlich getroffen werden, und es braucht keine Toleranz addiert bzw. subtrahiert werden, solange die Sekundärbatterie 12 geschützt werden kann.
5 ist ein Graph, der die Spannungsänderung erläutert, die im Ausgangsspannungswert einer Batterieeinrichtung stattfindet, wenn eine Brennstoffzelle einer Impedanzmessung gemäß einem Wechselstromimpedanz-Messverfahren unterzogen wird.
5(a) stellt einen Brennstoffzellen-Ausgangsspannungswert V_BZ dar, über den ein Wechselstromsignal (eine Sinuswelle) gelegt wird. 5(b) stellt einen Brennstoffzellen-Ausgangsleistungswert P_BZ dar, der aufgrund der Wirkung des über den Brennstoffzellen-Ausgangsspannungswert V_BZ gelegten Wechselstromsignals variiert. 5(c) stellt einen Batterieeinrichtungs-Ausgangsleistungswert P_BAT gemäß der mit der Änderung eines Batterieeinrichtungs-Ausgangsspannungswerts V_BAT einhergehenden Änderung der Leistung, die einen Spannungswandler (Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler) durchläuft, dar. 5(d) stellt einen Batterieeinrichtungs-Ausgangsspannungswert V_BAT dar, der aufgrund der Wirkung der Änderung des Batterieeinrichtungs-Ausgangsleistungswerts P_BAT variiert.
In 5(d) zeigt Vmin die Zerstörungsspannung an, bei der die Batterieeinrichtung (die Sekundärbatterie) zerstört würde. Die Zerstörungsspannung ist eine Spannung, die bei oder unter der oben genannten Zellenschutzspannung liegt.
Falls die Spannungsänderung, die in 5(d) dargestellt ist, in der Ausgangsspannung der Batterieeinrichtung aufgrund der Überlagerung des Brennstoffzellenausgangs mit einem Wechselstromsignal stattfindet, würde der Mindestwert des Ausgangsspannungswerts an den Punkten, die durch die Pfeile bezeichnet sind, unter die Zerstörungsspannung Vmin sinken, und die Batterieeinrichtung könnte irreparabel beschädigt werden.
Mit Rücksicht darauf wird gemäß der vorliegenden Erfindung die (Untergrenze der) Schwellenspannung beispielsweise auf Vth gesetzt, wie in 5(d) dargestellt, und die Messung der Wechselstromimpedanz wird verhindert und die Anlegung eines Wechselstromsignals wird unterbrochen, falls (der Mindestwert) der Batterieeinrichtungs-Ausgangsspannungswert unter diese Schwellenspannung sinkt.
Wie oben beschrieben, wird gemäß dieser Ausführungsform der Bereich der Schutzspannungswerte, bei denen es sich um Ausgangsspannungswerte der Sekundärbatterie handelt, mit denen die Sekundärbatterie geschützt werden kann, vorab bestimmt und als Schwellenwert gesetzt, und die Messung der Wechselstromimpedanz wird nur zugelassen, wenn der Sekundärbatterie-Ausgangsspannungswert V_BAT gemäß der Spannungsänderung, die auf die für die Messung der Wechselstromimpedanz nötige Anlegung des Wechselstromsignals zurückgeht, in den Bereich der Schutzspannungen fällt. Somit kann verhindert werden, dass der Ausgangsspannungswert auf einen Spannungswert Vmin sinkt, der in Nachteilen für die Sekundärbatterie resultieren könnte, und es kann sichergestellt werden, dass die Sekundärbatterie geschützt ist.
Gemäß dieser Ausführungsform wird der Sekundärbatterie-Ausgangsspannungswert V_BAT erfasst und mit der Schwellenspannung V_th verglichen, und die Zulässigkeit der Wechselstromimpedanzmessung wird abhängig davon bestimmt, ob der genannte Ausgangsspannungswert V_BAT die Schwellenspannung Vth überschreitet oder nicht. Somit kann verhindert werden, dass die Messung der Wechselstromimpedanz in einem Zustand fortgesetzt wird, wo ein Augenblickswert des Batterieeinrichtungs-Ausgangsspannungswert V_BAT aufgrund der Wirkung des Wechselstromsignals, das an die Brennstoffzellen-Ausgangsspannung angelegt wir, unter die Schwellenspannung Vth sinkt.
Gemäß dieser Ausführungsform wird die Messung der Wechselstromimpedanz für einen vorgegebenen Zeitraum ausgesetzt, falls bestimmt wird, dass die Messung der Wechselstromimpedanz nicht zulässig ist. Falls eine Zeit, die ausreicht, damit die Ausgangsspannung der Sekundärbatterie sich wieder bis auf den normalen Pegel erholt, als Aussetzungszeit gewählt wird, kann somit eine unnötige Verarbeitung für die Bestimmung einer Zulassung der Wechselstromimpedanzmessung vermieden werden.
Gemäß dieser Ausführungsform wird die Untergrenze für den Schwellenspannungswert auf einen Spannungswert gesetzt, der durch Addieren einer vorgegebenen Toleranz zum Zellenschutzspannungswert für die Sekundärbatterie erhalten wird. Falls eine ausreichend große Toleranz gesetzt wird, kann daher sichergestellt werden, dass der Sekundärbatterie-Ausgangsspannungswert V_BAT nicht den Zellenschutzspannungswert oder die Zerstörungsspannung Vmin erreicht.
(Andere Ausführungsformen)
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt, und sie kann verschiedenen Modifikationen unterzogen werden.
Beispielsweise ist die oben beschriebenen Ausführungsform so ausgelegt, dass die Ausgangsspannung der Sekundärbatterie 12 von der Steuereinheit 50 verglichen und bestimmt wird, aber es kann auch der Spannungssensor dafür ausgelegt werden, zu bestimmen, ob der Mindestwert (Augenblickswert) der Ausgangsspannung eine vorgegebenen Schwellenspannung unterschreitet oder nicht. In diesem Fall ist der Spannungssensor 16 so ausgelegt, dass er nur dann ein Signal an die Steuereinheit 50 ausgibt, wenn der Mindestwert (Augenblickswert) der Ausgangsspannung der Sekundärbatterie 12 die vorgegebene Schwellenspannung unterschreitet, wobei das Signal diese Überschreitung anzeigt.
Ferner wird in der oben beschriebenen Ausführungsform der Ausgangsspannungswert der Sekundärbatterie primär mit der Schwellenwert-Untergrenze verglichen, zusätzlich zu diesem Vergleich kann die Messung der Wechselstromimpedanz so ausgelegt sein, dass sie als nicht zulässig bestimmt wird, wenn der Ausgangsspannungswert der Sekundärbatterie bei oder über einer Schwellenspannungs-Obergrenze liegt. Mit dieser Gestaltung wird eine Obergrenze für den Bereich der Schutzspannungswerte eingerichtet, und somit können Nachteile einschließlich der Anlegung einer Überspannung, die sich einstellen würden, falls der Ausgangsspannungswert der Batterieeinrichtung diesen Schutzsspannungswert überschreiten würde, vermieden werden.
Ferner wird in der oben beschriebenen Ausführungsform die Bestimmung durch Erfassen der Spannungsänderung der Sekundärbatterie durchgeführt, wenn tatsächlich ein Wechselstromsignal an den Brennstoffzellenausgang angelegt wird, aber die Art und Weise der Bestimmung ist nicht auf die beschriebene beschränkt. Beispielsweise kann der Bereich der Schutzspannungswerte gemäß einem vorläufig geschätzten Bereich der Änderung der Sekundärbatterie-Ausgangsspannung, die einhergehend mit der Anlegung eines Wechselstromsignals an den Brennstoffzellenausgang auftreten würde, eingerichtet werden. Einige Systeme können die Amplitude eines Wechselstromsignals, das an die Brennstoffzellen-Seite angelegt wird, konstant halten, so dass die Spannungsänderung auf der Sekundärseite, die mit der Überlagerung der Primärseite des Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers 13 mit einem Wechselstromsignal einhergeht, ebenfalls vorab geschätzt werden kann. Somit kann unter Berücksichtigung der geschätzten sekundärseitigen Spannungsänderung der Schutzbereich des Ausgangsspannungswerts der Sekundärbatterie vorab eingerichtet werden, und die Bestimmung, ob die Messung der Wechselstromimpedanz zulässig ist oder nicht, um die Sekundärbatterie zu schützen, kann durchgeführt werden, ohne tatsächlich ein Wechselstromsignal anzulegen.
Ferner kann das Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung nicht nur auf Fahrzeuge, sondern auch auf verschiedene andere mobile Objekte angewendet werden, die sich an Land, unter der Erde, auf dem Wasser, unter Wasser, in der Luft und im Weltraum fortbewegen. Natürlich kann die vorliegende Erfindung auch auf stationäre Brennstoffzellensysteme angewendet werden.
Industrielle Anwendbarkeit
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Bereich von Schutzspannungswerten, bei denen es sich um Ausgangsspannungswerte der Batterieeinrichtung handelt, mit denen die Batterieeinrichtung geschützt werden kann, vorab bestimmt, und die Messung der Wechselstromimpedanz wird nur zugelassen, wenn der Ausgangsspannungswert der Batterieeinrichtung gemäß der Spannungsänderung, die auf die Anlegung eines für die Messung der Wechselstromimpedanz notwendigen Wechselstromsignals zurückgeht, in den genannten Bereich von Schutzspannungswerten fällt, und somit kann verhindert werden, dass der Ausgangsspannungswert auf einen Spannungswert fällt, der zu Nachteilen für die Batterieeinrichtung führen könnte, und es kann sichergestellt werden, dass die Batterieeinrichtung geschützt ist.
Die vorliegende Erfindung kann angewendet werden, wenn ein Brennstoffzellensystem konstruiert wird, das eine Brennstoffzelle aufweist, die über eine elektrochemische Reaktion zwischen Brenngas (z. B. Wasserstoff) und Oxidierungsgas (z. B. Luft) Leistung erzeugt, und die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere für die Verwendung in einem Brennstoffzellensystem, in dem eine Impedanzmessung gemäß einem Wechselstromimpedanz-Messverfahren durchgeführt wird.

Claims

Wechselstromimpedanz-Messverfahren für ein Brennstoffzellensystem, das mit einer Brennstoffzelle und einer Batterieeinrichtung ausgestattet ist, die so verbunden sind, dass die Batterieeinrichtung mit Ausgangsleistung von der Brennstoffzelle geladen werden kann, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Legen (S1) eines vorgegebenen Wechselstromsignals über eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle; Erfassen (S2) eines Ausgangsspannungswerts der Batterieeinrichtung, wobei der Ausgangsspannungswert variiert, da der Ausgangsleistungswert der Brennstoffzelle, über den das Wechselstromsignal gelegt worden ist, variiert; Vergleichen (S3) des erfassten Ausgangsspannungswerts der Batterieeinrichtung mit einer vorgegebenen Schwellenspannung; und Bestimmen (S4), ob die Messung der Wechselstromimpedanz zulässig ist oder nicht, abhängig davon, ob der Ausgangsspannungswert der Batterieeinrichtung die Schwellenspannung überschreitet oder nicht, wobei bestimmt wird, dass die Messung der Wechselstromimpedanz nicht zulässig ist, wenn der Ausgangsspannungswert der Batterieeinrichtung bei oder unter einer Schwellenspannungs-Untergrenze liegt, und wobei die Schwellenspannungs-Untergrenze auf einen Spannungswert gesetzt wird, der durch Addieren einer vorgegebenen Toleranz zu einem Zellenschutzspannungswert der Batterieeinrichtung erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Messung der Wechselstromimpedanz für einen vorgegebenen Zeitraum ausgesetzt wird, falls bestimmt wird, dass die Messung der Wechselstromimpedanz nicht zulässig ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei des Weiteren bestimmt wird, dass die Messung der Wechselstromimpedanz nicht zulässig ist, wenn der Ausgangsspannungswert der Batterieeinrichtung bei oder über einer Schwellenspannungs-Obergrenze liegt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Schwellenspannungs-Obergrenze auf einen Spannungswert gesetzt wird, der durch Subtrahieren einer vorgegebenen Toleranz von einem Überspannungsschutzspannungswert der Batterieeinrichtung erhalten wird.