DE102012215817A1

DE102012215817A1 - Kalibrierverfahren zum Kalibrieren eines Feuchtesensors zur Erfassung mindestens eines Feuchteparameters eines Gasgemischs

Info

Publication number: DE102012215817A1
Application number: DE201210215817
Authority: DE
Inventors: Mark Hellmann; Helerson Kemmer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-09-06
Filing date: 2012-09-06
Publication date: 2014-03-06

Abstract

Es wird ein Kalibrierverfahren zum Kalibrieren eines Feuchtesensors (112) zur Erfassung mindestens eines Feuchteparameters eines Gasgemischs vorgeschlagen. Bei dem Verfahren wird eine Temperatur des Gasgemischs erfasst. Aus der Temperatur des Gasgemischs wird auf mindestens einen ersten Sättigungsparameter geschlossen. Es wird mindestens ein zweiter Sättigungsparameter erfasst. Mittels eines Vergleichs (162) des ersten Sättigungsparameters mit dem zweiten Sättigungsparameter wird der Feuchtesensor (112) kalibriert. Das Kalibrierverfahren wird von mindestens einer Ansteuerung (120) durchgeführt.

Description

Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen, umfassend mindestens einen Feuchtesensor, und Kalibrierverfahren zum Kalibrieren eines Feuchtesensors und Messverfahren zur Erfassung mindestens eines Feuchteparameters eines Gasgemischs bekannt. Die Erfindung wird im Folgenden, ohne Beschränkung weiterer möglicher Ausgestaltungen, im Wesentlichen unter Bezugnahme auf Verfahren und Vorrichtungen beschrieben, welche zur quantitativen und/oder qualitativen Erfassung mindestens eines Feuchteparameters eines Gasgemischs dienen. Beispielsweise kann es sich bei dem Gasgemisch um ein Abgas einer Brennkraftmaschine und/oder um eine Zuluft einer Brennstoffzelle handeln, insbesondere im Kraftfahrzeugbereich. In technischen Anwendungen kann oftmals ein Bedarf auftreten, einen Feuchteparameter zu messen, beispielsweise einen Feuchtegehalt und/oder einen Dampfdruck und/oder eine relative Luftfeuchtigkeit, insbesondere eines Gasgemischs, beispielsweise von Gasen. Aus dem Stand der Technik sind für diesen Zweck verschiedene technische Lösungen bekannt, welche verschiedene Vor- und Nachteile haben.
Mit Breitband-Lambdasonden kann eine Sauerstoffkonzentration eines Gases gemessen werden, wie beispielsweise in Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, erste Auflage 2010, Seiten 160–165 beschrieben. Mit der Breitband-Lambdasonde in Kombination mit einem Temperatursensor und einem Drucksensor ist es darüber hinaus möglich, einen Dampfdruck von Wasser und eine relative Feuchte zu bestimmen, insofern eine Zusammensetzung des trockenen Gasgemischs, insbesondere der trockenen Luft, bekannt ist.
FR 2 930 842 A1 beschreibt ein Brennstoffzellensystem umfassend einen Kathoden-Anoden-Brennstoffzellenstapel, einen vorgeschalteten Kollektor und einen nachgeschalteten Kollektor zur Luftversorgung der Zellen. Das System umfasst weiterhin ein Wasserrückgewinnungssystem, welches geeignet ist, um eine Menge an Wasserdampf von dem nachgeschalteten Kollektor zu dem vorgeschalteten Kollektor durch Pervaporation zu transferieren. Das System umfasst ein Hilfsmittel zur Abschätzung der Feuchtigkeit der Zellen und eine Sauerstoffabschätzungssonde, welche sich über dem nachgeschalteten Kollektor zwischen den Zellenstapeln und dem Wasserrückgewinnungssystem befindet. Das Hilfsmittel zur Abschätzung der Feuchtigkeit umfasst einen Rechner, welcher eingerichtet ist, um die nachgeschaltete relative Feuchte entsprechend des von der nachgeschalteten Sauerstoffsonde erhaltenen Signals zu berechnen.
Eine Messung des Feuchteparameters, beispielsweise einer Feuchte, kann in vielerlei Anwendungen eingesetzt werden. Ein Anwendungsbeispiel könnte eine Erfassung des Feuchteparameters, beispielsweise eine Feuchtemessung, in Kombination mit einem Luftmassenstromsensor darstellen. Ein Luftmassenstromsensor, beispielsweise ein Heißfilmluftmassenmesser (HFM), kann beispielsweise einen gesamten Massenstrom messen, d.h. eine enthaltene Dampfmenge wird mitgemessen. Eine Abweichung zwischen einer trockenen Luftmenge und einer feuchten Luftmenge kann einen Fehler in der Bestimmung einer verfügbaren Sauerstoffmenge für eine Reaktion je nach Umgebungsbedingungen von bis zu 8% verursachen. Dieser Fehler, insbesondere eine Abweichung, führt üblicherweise zu einer Verschlechterung einer Abgasqualität und der Leistung, beispielsweise bei Verbrennungsmotoren ohne Kompensation der Luftmenge.
Für die Messung des Feuchteparameters, insbesondere einer relativen Luftfeuchtigkeit, mit einer Breitband-Lambdasonde gelten üblicherweise die folgenden Zusammenhänge. Die Breitband-Lambdasonde liefert einen Strom in Abhängigkeit von einem Sauerstoffpartialdruck einer umgebenden Luft.
Der Sauerstoffpartialdruck ist
mit Luftdruck p, Sauerstoffmolenstrom ṅ_O2 und Gesamtluftmolenstrom ṅ_Luft.
In ähnlicher Weise ist der Dampfdruck
mit ṅ_Dampf, dem Dampfmolenstrom.
Durch eine Kombination dieser beiden Formeln ergibt sich
Der Gesamtluftmolenstrom ist näherungsweise, insbesondere unter Vernachlässigung von Spurengasen, wobei diese Annahme eher nicht entscheiden ist: ṅ_Luft = ṅ_O2 + ṅ_N2 + ṅ_Dampf.
Ein Sauerstoffanteil x_O2 von unverbrauchter Luft ist üblicherweise nahezu konstant und beträgt ungefähr 0,21, sodass
mit ṁ_{Luft trocken}, dem Massenstrom trockener Luft, und M_{Luft trocken}, der Molarmasse trockener Luft.
In ähnlicher Weise beträgt ein Stickstoffanteil x_N2 ungefähr 0,79, sodass
gilt. Durch Kombination der letzten beiden Formeln ergibt sich
Durch Einsatz der letzten Formel und der vierten Formel in die dritte Formel erhält man
Ein Sättigungsdampfdruck p_s, beispielsweise auch Dampfsättigungsdruck genannt, lässt sich nach dem Stand der Technik aus einer Lufttemperatur T_Luft berechnen, d.h. p_s = f(T_Luft).
Eine relative Luftfeuchte Φ_luft ist bekannt durch
Die relative Luftfeuchte Φ_luft lässt sich somit aus einem gemessenen Luftdruck p, einer gemessenen Lufttemperatur T_Luft und dem Sauerstoffpartialdruck p_O2, wie oben gezeigt, berechnen. Beispielsweise kann mit einer Lambdasonde, insbesondere mit einer Breitbandlambdasonde, bevorzugt zur Erfassung des Sauerstoffpartialdrucks p_O2, einem Drucksensor, bevorzugt einem Drucksensor zur Erfassung des Luftdrucks p, und einem Temperatursensor, bevorzugt einem Temperatursensor zur Erfassung der Lufttemperatur T_Luft, und/oder einem kombinierten Druck-/Temperatursensor kann der Feuchteparameter, insbesondere ein absoluter Dampfpartialdruck und/oder die relative Luftfeuchte, Lufttemperatur T_Luft, in einer Auswerteeinheit bestimmt werden.
Es ist eine Möglichkeit zur Justierung eines Hygrometers bekannt, wobei in ein verschließbares, durchsichtiges Gefäß etwas Wasser gegeben wird und das Hygrometer auf einer kleinen Erhöhung in das Gefäß gestellt wird, letzteres verschlossen wird und einige Stunden gewartet wird, bis das Wasser an den Gefäßwänden kondensiert. Dann entnimmt man zügig das Hygrometer und stellt es auf 100 % ein. Dieses Justierverfahren wird beispielsweise in „Wikipedia“ unter dem Stichwort „Hygrometer“ beschrieben (http://de.wikipedia.org/wiki/Hygrometer).
Die bekannten Kalibrierverfahren, Messverfahren und Vorrichtungen zur Erfassung mindestens eines Feuchteparameters aus dem Stand der Technik weisen einige Nachteile auf. Beispielsweise ist für eine Einstellung einer Luftfeuchte bei Brennstoffzellen ein Einsatz eines Feuchtesensors sinnvoll.
In Investigation of water transport through membrane in A PEM fuel cell by water balance experiments, Q. Yan et al, Journal of Power Sources 158 (2006) 316–325 werden Experimente zum Transport von Wasser durch eine Membran einer PEM(polymer electrolyt membrane)-Brennstoffzelle beschrieben. Es hat sich beispielsweise gezeigt, dass eine Feuchtigkeit, sowohl des Anoden- als auch des Kathoden-Einströmgases, einen signifikanten Effekt auf ein Leistungsvermögen von Brennstoffzellen hat. Bisher sind automobiltaugliche Feuchtesensoren nicht vorhanden, die den gesamten Anwendungsbereich von Kraftfahrzeugen und/oder deren Betriebsbedingungen bei erschwinglichen Preisen abdecken. Mit einer Kenntnis der Luftfeuchte kann man beispielsweise eine Betriebsstrategie der Brennstoffzelle verbessern, beispielsweise eine Verbesserung des Betriebs durch Einregelung einer gewünschten Eintrittsfeuchte oder Ausnutzung aller Potenziale zu einer Absenkung eines Kathodendrucks und eines Kathodeneintrittsmassenstroms. Bei einer unzureichenden Befeuchtung, beispielsweise bei einer relativen Luftfeuchtigkeit Φ_Kathode = 30%, kann ein Ohmscher Widerstand der Brennstoffzelle deutlich größer sein als bei höheren Kathodenfeuchten. Hohe Ohmsche Widerstände können zu geringen Wirkungsgraden und/oder einer schlechten Performance und/oder einer hohen Wärmeentwicklung eines Stacks führen, welche gegebenenfalls zu einer Stack-Beschädigung führen kann. Sensoren arbeiten grundsätzlich fehlerbehaftet. Insbesondere kostengünstige, für Automobilanwendungen taugliche Sensoren weisen oftmals große Toleranzen auf. Eine Untersuchung einer Toleranzkette einer Erfassung eines Feuchteparameters, insbesondere einer Feuchtemessung, kann zeigen, dass eine Feuchte an einem Kathodeneintritt eines Brennstoffzellen-Systems mit dem oben beschriebenen Messprinzip aus dem Stand der Technik mit einer Genauigkeit von lediglich etwa 10–20% bestimmt werden kann. Eine Genauigkeit einer Erfassung des Feuchteparameters, insbesondere einer Feuchtemessung, mit einer Lambdasonde liegt im Bereich von +/–8% bis +/–15% und ist insbesondere abhängig von dem Feuchteniveau. Die Toleranz kann bei hohen relativen Feuchten kleiner sein, beispielsweise vor dem Eintritt in die Kathode eines Stacks, wobei eine externe Befeuchtung betrieben wird, insbesondere kleiner als bei kleinen relativen Feuchten, beispielsweise bei einer Eintrittsfeuchte, auch Umgebungsfeuchte genannt, die auch in Luftsystemen auftritt. Wenn zusätzlich zu der Toleranz der Lambdasonde Toleranzen typischer für Automobilanwendungen tauglicher Drucksensoren und Temperatursensoren berücksichtigt werden, können sich die Toleranzen der Feuchtemessung am Kathodeneintritt auf einen Bereich von ungefähr +/–10% bis +/–20% erhöhen. Derart große Toleranzen in der Erfassung des Feuchteparameters, insbesondere bei der Feuchtemessung, sind für eine technische Anwendung unzureichend und damit stellt eine Erfassung des Feuchteparameters, insbesondere eine Feuchtemessung, mit der Lambdasonde nach dem Stand der Technik noch keinen adäquaten Ersatz für einen Einsatz von Taupunktsensoren dar, welche wiederum nicht in für Automobilanwendungen tauglicher Form erhältlich sind und/oder robust im Betrieb sind, insbesondere hinsichtlich Einflüssen von Wassertropfen. Ein weiteres Problem kann eine Sensoralterung und eine damit verbundene Änderung eines Sensorwerts, insbesondere eine Alterung des Sensorwerts, über eine Betriebszeit sein. Es ergibt sich insbesondere ein Konflikt hinsichtlich einer zu ungenauen Erfassung des Feuchteparameters, insbesondere eine Feuchtemessung, mit der Lambdasonde und einem Nichtvorhandensein eines für Automobilanwendungen tauglichen Taupunktsensors. Wünschenswert wären daher ein Kalibrierverfahren, ein Messverfahren und eine Vorrichtungen zur Erfassung mindestens eines Feuchteparameters, vorzugsweise zum Einsatz im Automobilbereich und/oder mit kleiner Fehlertoleranz und/oder mit möglichst geringen Alterungseffekten.
Offenbarung der Erfindung
Es werden dementsprechend ein Kalibrierverfahren und ein Messverfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung mindestens eines Feuchteparameters eines Gasgemischs vorgeschlagen, welche die Nachteile bekannter Kalibrierverfahren und/oder Messverfahren und/oder Vorrichtungen zumindest weitgehend vermeiden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung mindestens eines Feuchteparameters eines Gasgemischs umfasst mindestens einen Feuchtesensor. Bei der Erfassung kann es sich prinzipiell um eine quantitative und/oder qualitative Erfassung handeln. Bei dem Feuchteparameter kann es sich prinzipiell um einen beliebigen Parameter handeln, welcher von einem Flüssigkeitsanteil, insbesondere einem Wasseranteil, in dem Gasgemisch abhängig ist. Bei dem Feuchteparameter kann es sich beispielsweise um einen Dampfdruck und/oder eine absolute Feuchtigkeit und/oder eine relative Feuchtigkeit und/oder eine Taupunkttemperatur und/oder eine Sättigungstemperatur, beispielsweise eine relative Luftfeuchtigkeit, handeln. Bei dem Gasgemisch kann es sich prinzipiell um ein Gemisch aus mindestens einer Gaskomponente handeln. Besonders bevorzugt kann es sich bei dem Gasgemisch um Luft, beispielsweise Zuluft, und/oder Abluft einer Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise einer Brennstoffzelle und/oder eines Verbrennungsmotors, handeln. Bei dem Feuchtesensor kann es sich prinzipiell um eine Vorrichtung handeln, welche eingerichtet ist, um den Feuchteparameter zu erfassen. Der Feuchtesensor kann beispielsweise einteilig oder mehrteilig ausgestaltet sein. Beispielsweise kann der Feuchtesensor von mindestens einem Gehäuse zumindest teilweise umgeben sein. Beispielsweise kann der Feuchtesensor auch aus mehreren Komponenten bestehen, beispielsweise mit mehreren voneinander unabhängigen Gehäusen. Bei dem Feuchtesensor kann es sich beispielsweise um mindestens einen kapazitiven Sensor, insbesondere mindestens einen kapazitiven Feuchtesensor, und/oder um mindestens eine Lambdasonde handeln.
Der Feuchtesensor kann beispielsweise mindestens ein Sensorelement zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Gasgemisch umfassen. Bei dem Sensorelement kann es sich prinzipiell um eine beliebige Vorrichtung handeln, welche ausgestaltet ist, um den Anteil der Gaskomponente in dem Gasgemisch zu erfassen. Besonders bevorzugt kann es sich bei dem Sensorelement um mindestens eine Lambdasonde handeln. Beispielsweise kann die Bestimmung des Feuchteparameters, insbesondere mindestens eine Feuchtebestimmung, zumindest teilweise mit der Lambdasonde durchgeführt werden. Bei der Erfassung des Anteils der Gaskomponente in dem Gasgemisch kann es sich prinzipiell um eine quantitative und/oder qualitative Erfassung handeln. Bei dem Anteil kann es sich beispielsweise um einen Prozentsatz und/oder einen Volumenanteil und/oder einen Partialdruck und/oder einen Absolutdruck und/oder einen Molenanteil handeln. Bei der Gaskomponente kann es sich prinzipiell um ein beliebiges Gas, beispielsweise ein atomares Gas oder um ein molekulares Gas, handeln. Besonders bevorzugt kann es sich bei der Gaskomponente um Sauerstoff handeln. Beispielsweise kann es sich bei der Gaskomponente auch um Stickstoff und/oder mindestens eine Stickstoffverbindung, beispielsweise mindestens ein Stickstoffoxid, handeln. Besonders bevorzugt kann es sich bei dem Sensorelement um eine Lambdasonde, beispielsweise eine Breitbandlambdasonde, handeln. Bei dem Anteil der Gaskomponente in dem Gasgemisch kann es sich besonders bevorzugt um einen Sauerstoffpartialdruck p_O2 handeln.
Der Feuchtesensor kann weiterhin mindestens einen Drucksensor zur Erfassung eines Gesamtdrucks des Gasgemischs umfassen. Bei dem Drucksensor kann es sich prinzipiell um eine beliebige Vorrichtung handeln, welche eingerichtet ist, um mindestens einen Druckparameter, beispielsweise den Gesamtdruck des Gasgemischs, insbesondere an zumindest einem Teil des Feuchtesensors, zu erfassen. Bei der Erfassung des Gesamtdrucks kann es sich prinzipiell um eine qualitative und/oder quantitative, vorzugsweise quantitative, Erfassung des Gesamtdrucks des Gasgemischs handeln. Bei dem Gesamtdruck kann es sich bevorzugt um einen Luftdruck handeln.
Die Vorrichtung umfasst weiterhin mindestens einen Temperatursensor zur Erfassung einer Temperatur des Gasgemischs. Beispielsweise kann der Temperatursensor auch mehrere Temperaturen des Gasgemischs erfassen. Bei dem Temperatursensor kann es sich prinzipiell um eine beliebige Vorrichtung handeln, welche eingerichtet ist, um mindestens eine Temperatur des Gasgemischs zu erfassen. Bei der Erfassung kann es sich prinzipiell um eine qualitative und/oder quantitative, bevorzugt quantitative, Erfassung handeln. Bei der Temperatur des Gasgemischs kann es sich zumindest um eine Temperatur eines Anteils des Gasgemischs handeln. Bevorzugt kann es sich bei der Temperatur des Gasgemischs um eine Lufttemperatur T_Luft handeln.
Das Sensorelement und/oder der Drucksensor und/oder der Temperatursensor können zumindest teilweise mechanisch und/oder elektrisch miteinander verbunden sein. Beispielsweise können sie zumindest teilweise in mindestens einem Gehäuse integriert sein. Beispielsweise können der Drucksensor und/oder das Sensorelement und/oder der Temperatursensor auch zumindest teilweise getrennt voneinander ausgestaltet sein. Besonders bevorzugt können der Anteil der Gaskomponente in dem Gasgemisch und/oder der Gesamtdruck und/oder die Temperatur des Gasgemischs an der gleichen Stelle des Feuchtesensors oder innerhalb eines möglichst kleinen Bereichs des Feuchtesensors erfasst werden. Prinzipiell können der Anteil der Gaskomponente in dem Gasgemisch und/oder der Gesamtdruck und/oder die Temperatur des Gasgemischs auch zumindest teilweise räumlich getrennt voneinander erfasst werden. Bei dem Sensorelement kann es sich beispielsweise um eine Lambdasonde handeln, beispielsweise eine Breitband-Lambdasonde und/oder eine Sprungsonde, wie beispielsweise in Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, Seiten 160–165 beschrieben. Bei dem Sensorelement kann es sich insbesondere um ein elektrochemisches Sensorelement handeln. Prinzipiell kann es sich bei dem Sensorelement auch um eine andere Art eines Sensorelements zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente handeln. Beispielsweise kann es sich bei dem Sensorelement auch um einen NO_x-Sensor handeln. Das Sensorelement kann mindestens eine Zelle umfassen. Die Zelle kann beispielsweise mindestens zwei Elektroden umfassen, welche über mindestens einen Festelektrolyten miteinander verbunden sind. Das Sensorelement kann mindestens einen Hohlraum und/oder mindestens einen Referenzgasraum umfassen.
Bei dem Drucksensor kann es sich beispielsweise um einen mikromechanischen Drucksensor handeln. Beispiele von im Rahmen der vorliegenden Erfindung einsetzbaren Drucksensoren sind in Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, Seiten 134–136 beschrieben. Bei dem Temperatursensor kann es sich beispielsweise um zumindest ein elektronisches Bauelement handeln, welches bevorzugt eine Temperatur in eine elektrische und/oder elektronische Größe umwandeln kann. Beispielsweise kann es sich bei dem Temperatursensor um mindestens einen temperaturabhängigen elektrischen Widerstand handeln, beispielsweise um einen Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC). Beispiele von im Rahmen der vorliegenden Erfindung einsetzbaren Temperatursensoren sind in Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, Seiten 102–111 beschrieben. Prinzipiell sind auch andere Arten von Temperatursensoren, beispielsweise analoge Thermometer, einsetzbar. Grundsätzlich können beliebige Temperatursensoren eingesetzt werden. Besonders bevorzugt kann es sich bei dem Temperatursensor um einen Temperatursensor handeln, welcher sich für den Einsatz im Automobilbereich eignet. Beispielsweise kann es sich bei dem Temperatursensor um einen Temperatursensor handeln, welcher den üblichen automotive-Anforderungen genügt.
Die Vorrichtung weist mindestens eine Ansteuerung auf. Die Ansteuerung ist eingerichtet, um das erfindungsgemäße Kalibrierverfahren, wie im Folgenden beschrieben, und/oder ein erfindungsgemäßes Messverfahren, wie im Folgenden beschrieben, durchzuführen. Die Vorrichtung und/oder die Ansteuerung können mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung aufweisen. Beispielsweise kann die Datenverarbeitungsvorrichtung in der Ansteuerung integriert sein, beispielsweise kann die Datenverarbeitungsvorrichtung jedoch auch zumindest teilweise separat von der Ansteuerung angeordnet sein. Die Ansteuerung und/oder die Datenverarbeitungsvorrichtung können beispielsweise zumindest teilweise mit dem Feuchtesensor verbunden und/oder verbindbar sein. Unter der Ansteuerung kann eine Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, um mindestens eine Funktion der Vorrichtung, insbesondere des Feuchtesensors, zu unterstützen und/oder zu steuern. Unter „verbindbar“ kann beispielsweise eine Eigenschaft verstanden werden, bei welcher eine elektrische Verbindung hergestellt werden kann oder bereits besteht. Die Ansteuerung kann mindestens eine Spannungsmessvorrichtung und/oder mindestens eine Strommessvorrichtung zur Erfassung mindestens eines Pumpstroms und/oder mindestens einer Pumpspannung und/oder mindestens eines Sensorsignals umfassen, beispielsweise eines Sensorsignals des Feuchtesensors und/oder des Drucksensors und/oder des Temperatursensors und/oder des Sensorelements, beispielsweise alternativ oder zusätzlich auch zur Regelung einer Spannung und/oder eines Stroms. Die Ansteuerung und/oder der Feuchtesensor und/oder das Sensorelement und/oder der Drucksensor und/oder der Temperatursensor können mindestens eine Beaufschlagungsvorrichtung aufweisen. Die Beaufschlagungsvorrichtung kann insbesondere mindestens eine Spannungsquelle und/oder mindestens eine Stromquelle umfassen. Beispielsweise kann die Beaufschlagungsvorrichtung eingerichtet sein, um den Feuchtesensor und/oder das Sensorelement und/oder den Drucksensor und/oder den Temperatursensor und/oder zumindest einen Teil der Vorrichtung mit mindestens einem elektrischen Strom, beispielsweise einem Pumpstrom, und/oder mit mindestens einer elektrischen Spannung, beispielsweise einer Pumpspannung, zu beaufschlagen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Kalibrierverfahren zum Kalibrieren eines Feuchtesensors zur Erfassung mindestens eines Feuchteparameters eines Gasgemischs. Bei dem Feuchtesensor und/oder dem Feuchteparameter und/oder dem Gasgemisch kann es sich beispielsweise um einen Feuchtesensor und/oder einen Feuchteparameter und/oder ein Gasgemisch wie oben beschrieben handeln. Der Feuchtesensor kann mindestens ein Sensorelement, insbesondere einen Sauerstoffsensor, besonders bevorzugt eine Lambdasonde, zur Erfassung eines Anteils, beispielsweise eines prozentualen Anteils und/oder eines Partialdrucks, einer Gaskomponente, insbesondere Sauerstoff, in dem Gasgemisch umfassen. Bei dem Sensorelement kann es sich beispielsweise um eine Lambdasonde, insbesondere eine Breitband-Lambdasonde, handeln. Der Feuchtesensor kann weiterhin mindestens einen Drucksensor zur Erfassung eines Gesamtdrucks des Gasgemischs umfassen. Prinzipiell können auch Feuchtesensoren mit anderen Messprinzipien und/oder Sensorelemente mit anderen Messprinzipien eingesetzt werden. Beispielsweise können auch Feuchtesensoren verwendet werden, bei welchen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens keine Druckmessung und/oder kein Drucksensor erforderlich ist. Bei dem Feuchtesensor kann es sich beispielsweise um mindestens einen Taupunktsensor und/oder mindestens einen kapazitiven Sensor handeln. Bei einem Taupunktsensor und/oder einem kapazitiven Sensor als Feuchtesensor kann der Feuchteparameter und/oder der zweite Sättigungsparameter beispielsweise bevorzugt ohne Druckmessung und/oder ohne Drucksensor erfasst werden. Der Drucksensor kann beispielsweise insbesondere bei Verwendung einer Lambdasonde als Feuchtesensor erforderlich sein. Bei dem Kalibrierverfahren wird mindestens eine Temperatur des Gasgemischs, beispielsweise an dem Sensorelement, insbesondere an mindestens einer Feuchtemessstelle, erfasst.
Aus der Temperatur des Gasgemischs wird auf mindestens einen ersten Sättigungsparameter geschlossen. Bei dem ersten Sättigungsparameter kann es sich beispielsweise um einen beliebigen Sättigungsparameter handeln. Bei dem Sättigungsparameter kann es sich beispielsweise um einen Parameter handeln, der eine Sättigung des Gasgemischs mit einer Flüssigkeit, insbesondere mit Wasser, kennzeichnet. Beispielsweise kann es sich bei dem Sättigungsparameter um eine Taupunkttemperatur und/oder einen Sättigungsdampfdruck, beispielsweise einen Sättigungsdampfdruck p_s, und/oder eine Sättigungstemperatur und/oder eine Kondensationstemperatur und/oder einen Kondensationsdampfdruck und/oder einen Dampfsättigungsdruck handeln. Beispielsweise kann aus der Temperatur des Gasgemischs auf den ersten Sättigungsparameter geschlossen werden, insbesondere indem aus der Temperatur des Gasgemischs und einem bekannten Zusammenhang zwischen der Temperatur und dem Sättigungsparameter, bevorzugt dem ersten Sättigungsparameter, der erste Sättigungsparameter berechnet und/oder bestimmt wird. Bei dem bekannten Zusammenhang kann es sich beispielsweise um die Antoine-Gleichung handeln und/oder um eine hinterlegte Kurve und/oder um eine hinterlegte Tabelle und/oder um einen anderen Zusammenhang. Bei dem Zusammenhang kann es sich beispielsweise um einen empirischen und/oder semi-empirischen und/oder analytischen Zusammenhang handeln. Bei der Antoine-Gleichung handelt es sich üblicherweise um einen Zusammenhang zwischen der Temperatur und dem Sättigungsparameter, beispielsweise einem Sättigungsdampfdruck, bevorzugt dem ersten Sättigungsparameter, insbesondere für reine Stoffe. Die Antoine-Gleichung ist von der Clausius-Clapeyron-Gleichung abgeleitet. Aus der Antoine-Gleichung kann der erste Sättigungsparameter, insbesondere als Sättigungsdampfdruck p_s, berechnet werden:
wobei A, B und C Parameter sind, insbesondere empirische stoffspezifische Parameter, und T_Luft die Temperatur des Gasgemischs ist.
Es wird mindestens ein zweiter Sättigungsparameter erfasst. Beispielsweise kann der zweite Sättigungsparameter unter Verwendung des Sensorelements und/oder des Drucksensors erfasst werden. Der Drucksensor kann insbesondere bei Verwendung einer Lambdasonde als Feuchtesensor erforderlich sein. Bei dem zweiten Sättigungsparameter kann es sich ebenfalls um einen Sättigungsparameter, wie oben beschrieben, handeln. Beispielsweise kann es sich bei dem zweiten Sättigungsparameter um mindestens einen Sättigungsdampfdruck und/oder mindestens eine Taupunkttemperatur handeln.
Beispielsweise kann der zweite Sättigungsparameter aus einem durch das Sensorelement erfassten Anteil einer Gaskomponente des Gasgemisches, beispielsweise einem Sauerstoffanteil, bevorzugt dem Sauerstoffpartialdruck p_O2, und aus einem durch den Drucksensor gemessenen Gesamtdruck, bevorzugt dem Luftdruck p, durch einen bekannten Zusammenhang berechnet und/oder bestimmt werden. Bei dem bekannten Zusammenhang kann es sich hierbei um einen Zusammenhang wie oben im Stand der Technik beschrieben handeln. Beispielsweise kann es sich, insbesondere bei Verwendung eines Sensorelements als Feuchtesensor, besonders bevorzugt bei Verwendung einer Lambdasonde als Feuchtesensor, bei dem zweiten Sättigungsparameter um
handeln, mit p, dem Gesamtdruck, beispielsweise einem Luftdruck, p_O2, dem Anteil der Gaskomponente in dem Gasgemisch, insbesondere dem Sauerstoffpartialdruck, x_N2, einem, vorzugsweise konstanten, Anteil an Stickstoff in dem Gasgemisch und x_O2, einem bekannten Anteil an Sauerstoff in dem Gasgemisch.
Mittels eines Vergleichs des ersten Sättigungsparameters mit dem zweiten Sättigungsparameter wird der Feuchtesensor kalibriert. Bei dem Vergleich kann es sich prinzipiell um ein Verfahren handeln, welches eine Gleichheit und/oder eine Ungleichheit und/oder mindestens eine Gemeinsamkeit und/oder mindestens einen Unterschied zwischen dem ersten Sättigungsparameter und dem zweiten Sättigungsparameter bestimmt. Der Vergleich kann insbesondere durch mindestens eine mathematische Operation, beispielsweise mindestens eine Subtraktion und/oder mindestens eine Division, durchgeführt werden. Unter dem Ausdruck „Kalibrieren“ und/oder „Kalibrierung“ kann insbesondere eine Adaption und/oder ein Ausgleich von Alterungseffekten und/oder eine Kalibrierung der Vorrichtung verstanden werden. Unter der Kalibrierung kann insbesondere ein Verfahren verstanden werden, durch welches der Feuchteparameter genauer, insbesondere fehlerfreier, bestimmt werden kann.
Das Kalibrierverfahren wird im Folgenden meist anhand der Erfassung des Feuchteparameters, insbesondere einer Feuchtemessung, mit einer Lambda-Sonde erläutert, kann jedoch grundsätzlich auch für andere Messprinzipien geeignet sein. Durch das erfindungsgemäße Kalibrierverfahren kann insbesondere eine Alterung, zumindest eines Teils des Feuchtesensors, beispielsweise der Lambda-Sonde, und eine damit verbundene Änderung des erfassten Feuchteparameters und/oder eine Änderung eines Sensorwerts, beispielsweise des Feuchtigkeitssensors, korrigiert werden.
Das Kalibrierverfahren wird von mindestens einer Ansteuerung durchgeführt. Die Ansteuerung kann zumindest teilweise Teil des Feuchtesensors und/oder des Sensorelements sein, kann jedoch auch getrennt von dem Feuchtesensor und/oder von dem Sensorelement angeordnet sein. Die Ansteuerung kann beispielsweise zumindest Teil einer Motorsteuerung sein, welche bevorzugt separat von dem Feuchtesensor angeordnet sein kann. Unter dem Ausdruck „von mindestens einer Ansteuerung durchgeführt“ kann beispielsweise verstanden werden, dass das Kalibrierverfahren selbständig durchgeführt wird, bevorzugt ohne Bedienung durch einen Benutzer. Bei dem erfindungsgemäßen Kalibrierverfahren und/oder bei dem erfindungsgemäßen Messverfahren kann es sich zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, um ein On-Board-Adaptionsverfahren handeln. Unter einem On-Board-Adaptionsverfahren kann beispielsweise eine Kalibrierung verstanden werden, welche von dem Feuchtesensor und/oder von der Ansteuerung und/oder von der Vorrichtung selbständig, insbesondere ohne äußere Eingriffe, durchgeführt wird und/oder durchgeführt werden kann. Das Kalibrierverfahren kann beispielsweise als On-Line-Verfahren ausgestaltet sein. Das Kalibrierverfahren kann bevorzugt in besonderen Betriebsphasen durchgeführt werden. Das Kalibrierverfahren kann beispielsweise in Betriebsphasen durchgeführt werden, währen welchen eine Abkühlung zumindest eines Teils des Gasgemischs und/oder des Feuchtesensors durchgeführt werden kann und/oder während welchen es sich bei dem Gasgemisch um Umgebungsluft handelt. Das Kalibrierverfahren kann beispielsweise bei nahezu jedem Abstellvorgang durchgeführt werden. Insbesondere kann durch das erfindungsgemäße Kalibrierverfahren und/oder durch das erfindungsgemäße Messverfahren eine Alterung der Lambda-Sonde und/oder eine Alterung des Feuchtesensors und eine damit verbundene Änderung des Feuchteparameters und/oder eines Sensorwerts korrigiert werden.
Der zweite Sättigungsparameter kann beispielsweise aus einem mittels des Drucksensors erfassten Gesamtdruck des Gasgemischs und aus einem mittels des Sensorelements erfassten Anteils der Gaskomponente in dem Gasgemisch bestimmt werden, insbesondere, wenn die Erfassung des Feuchteparameters, beispielsweise einer Feuchte, unter Verwendung des Sensorelements, bevorzugt der Lambdasonde, erfolgt. Prinzipiell kann der Feuchtesensor ein beliebiger Sensor zur Erfassung des Feuchteparameters sein. Bei dem Gesamtdruck kann es sich insbesondere um einen Luftdruck handeln. Der Gesamtdruck kann sich insbesondere aus verschiedenen Partialdrücken, beispielsweise aus dem Sauerstoffpartialdruck und/oder aus dem Stickstoffpartialdruck und/oder dem Dampfpartialdruck, zusammensetzen. Beispielsweise kann der Gesamtdruck durch Addition verschiedener, durch den Drucksensor und/oder durch das Sensorelement erfasster, Partialdrücke berechnet werden. Beispielsweise kann der Gesamtdruck auch direkt durch den Drucksensor erfasst werden. Bei dem mittels des Sensorelements erfassten Anteil der Gaskomponente kann es sich insbesondere um einen Sauerstoffanteil, beispielsweise einen Sauerstoffpartialdruck, handeln. Der Sauerstoffpartialdruck und/oder der Sauerstoffanteil kann insbesondere durch die Lambda-Sonde, beispielsweise durch eine Breitband-Lambda-Sonde, erfasst werden. Beispielsweise kann für die Bestimmung des zweiten Sättigungsparameters aus dem Gesamtdruck des Gasgemischs und aus dem Anteil der Gaskomponente durch Verwendung des oben genannten bekannten Zusammenhangs, beispielsweise der Antoine-Gleichung, auf den zweiten Sättigungsparameter geschlossen werden. Beispielsweise kann der zweite Sättigungsparameter empirisch oder semi-empirisch oder analytisch bestimmt werden und/oder berechnet werden und/oder hinterlegt werden. Aus dem zweiten Sättigungsparameter kann beispielsweise eine relative Luftfeuchtigkeit Φ_Luft bestimmt werden, insbesondere durch die Beziehung
In dem Vergleich kann eine Differenz zwischen dem zweiten Sättigungsparameter und dem ersten Sättigungsparameter bestimmt werden. Bei der Differenz kann es sich besonders bevorzugt um das Ergebnis einer Subtraktion zwischen dem zweiten Sättigungsparameter und dem ersten Sättigungsparameter handeln. Beispielsweise kann vor der Subtraktion der erste Sättigungsparameter und/oder der zweite Sättigungsparameter mit mindestens einem Vorfaktor multipliziert werden. Beispielsweise kann auch die Differenz mit mindestens einem Vorfaktor multipliziert werden. Der Vorfaktor kann konstant sein, kann jedoch beispielsweise auch von mindestens einem anderen Parameter, beispielsweise mindestens einer Temperatur, abhängen. Aus der Differenz kann mindestens eine Korrekturfunktion in Abhängigkeit von der Temperatur des Gasgemischs bestimmt werden. Bei der Korrekturfunktion kann es sich beispielsweise um mindestens einen Korrekturwert und/oder mindestens eine Korrekturlinie handeln. Die Korrekturfunktion kann beispielsweise aus mehreren Korrekturwerten, insbesondere bei verschiedenen Temperaturen des Gasgemischs, zusammengesetzt sein. Die Korrekturfunktion und/oder die Korrekturlinie kann beispielsweise durch Extrapolation erstellt und/oder erweitert werden, beispielsweise hin zu Temperaturen des Gasgemischs, insbesondere hohen Temperaturen, welche bei dem Kalibrierverfahren nicht eingestellt werden können, zumindest nicht in einer gesättigten Atmosphäre.
Die Korrekturfunktion kann mit mindestens einem Faktor multipliziert werden. Beispielsweise kann der Faktor = 1 sein. Prinzipiell kann der Faktor jede beliebige Zahl sein, insbesondere eine Zahl < 1. Der Faktor kann beispielsweise vorgegeben sein. Der Faktor kann ein konstanter Faktor sein, kann jedoch auch ein Faktor sein, welcher beispielsweise von der Temperatur des Gasgemischs abhängt. Der Faktor kann beispielsweise während des Kalibrierverfahrens berechnet werden, beispielsweise durch die Ansteuerung.
Der Faktor kann beispielsweise durch die Ansteuerung mit der Korrekturfunktion multipliziert werden. Weiterhin kann von der Korrekturfunktion beispielsweise mindestens ein Offset abgezogen oder addiert werden. Ein Korrekturwert, insbesondere ein Korrekturwert der Korrekturfunktion, kann beispielsweise durch Bildung eines Mittelwerts aus verschiedenen Korrekturwerten für eine Temperatur des Gasgemisches bestimmt werden, beispielsweise auch mit zugehörigen Fehlerbalken und/oder Standardabweichungen.
Zur Erfassung der Temperatur des Gasgemischs kann mindestens ein Temperatursensor verwendet werden. Der Temperatursensor kann Bestandteil des Sensorelements und/oder des Feuchtesensors und/oder des Drucksensors sein, kann jedoch auch unabhängig von dem Feuchtesensor und/oder von dem Drucksensor und/oder von dem Sensorelement ausgestaltet sein. Der Temperatursensor kann beispielsweise auch als Gasgemisch-Temperatursensor bezeichnet werden. Bei dem Temperatursensor kann es sich beispielsweise um mindestens einen Temperaturmesswiderstand, beispielsweise einen Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC-Widerstand) handeln.
Besonders bevorzugt kann die Temperatur an dem Feuchtesensor und/oder an dem Sensorelement während des Kalibrierens abgesenkt werden. Die Temperatur kann insbesondere durch Abkühlung abgesenkt werden. Die Abkühlung kann beispielsweise durch die Umgebungsluft erfolgen, kann jedoch alternativ oder zusätzlich auch beispielsweise durch aktive Kühlung, beispielsweise durch mindestens ein Peltier-Element und/oder durch Anbindung, insbesondere einer Messstrecke, beispielsweise mindestens das Sensorelement und/oder den Feuchtesensor umfassend, an einen Kühlkreis erfolgen. Die Temperatur kann insbesondere beginnend von einer Betriebstemperatur des Feuchtesensors und/oder einer höchstmöglichen Temperatur des Feuchtesensors, insbesondere einer höchstmöglichen Temperatur zumindest eines Teils der Vorrichtung während der Erfassung des Feuchteparameters, abgesenkt werden. Die Temperatur kann insbesondere abgesenkt werden bis die Temperatur die Sättigungstemperatur erreicht und/oder unterschreitet.
Beispielsweise kann zumindest ein Teil des Feuchtesensors vor und/oder während des Kalibrierens zumindest durch ein Gasgemisch mit bekannter Zusammensetzung durchströmt werden. Zumindest ein Teil des Feuchtesensors kann beispielsweise vor und/oder während des Kalibrierens von Luft durchströmt werden. Bei der Luft kann es sich bevorzugt um Umgebungsluft handeln. Bei der Luft kann es sich insbesondere um ein Gasgemisch mit vorgegebener und/oder bekannter Zusammensetzung handeln, insbesondere mit einem bekannten Verhältnis von Sauerstoff zu Stickstoff.
Der erste Sättigungsparameter und/oder der zweite Sättigungsparameter können jeweils wiederholt über einen Messzeitraum hinweg erfasst werden. Beispielsweise können der erste Sättigungsparameter und/oder der zweite Sättigungsparameter kontinuierlich oder diskontinuierlich erfasst werden, beispielsweise als Funktion des jeweiligen Messzeitpunkts über einen Messzeitraum hinweg und/oder als Funktion der Temperatur des Gasgemischs. Beispielsweise kann eine Sättigungsdampfdruckkurve für den ersten Sättigungsparameter und/oder den zweiten Sättigungsparameter als Funktion der Zeit und/oder als Funktion einer Taupunkttemperatur erfasst werden. Beispielsweise kann auch eine Taupunkttemperaturkurve als Funktion der Zeit für den ersten Sättigungsparameter und/oder für den zweiten Sättigungsparameter erfasst werden.
Das Gasgemisch und/oder das Sensorelement und/oder der Feuchtesensor können während des Messzeitraums abgekühlt werden. Bei dem Messzeitraum kann es sich insbesondere um eine Zeitspanne handeln, beispielsweise eine Zeitspanne von weniger als 5 h, insbesondere von weniger als 2 h, besonders bevorzugt von weniger als 1 h. Eine möglichst kurze Zeitspanne kann von Vorteil sein. Das Gasgemisch und/oder der Feuchtesensor und/oder das Sensorelement können bevorzugt zumindest so lange abgekühlt werden, bis zumindest eine gesättigte Atmosphäre des Gasgemischs vorliegt. Vorzugsweise kann das Gasgemisch und/oder das Sensorelement und/oder der Feuchtesensor noch weiter abgekühlt werden. Bei diesem Abkühlen können bevorzugt mehrmals der erste Sättigungsparameter und/oder der zweite Sättigungsparameter bestimmt werden.
Der erste Sättigungsparameter und der zweite Sättigungsparameter können beispielsweise im Wesentlichen gleichzeitig erfasst werden. Unter dem Ausdruck „im Wesentlichen gleichzeitig“ kann verstanden werden, dass der erste Sättigungsparameter und der zweite Sättigungsparameter innerhalb von 10 Minuten, bevorzugt innerhalb von einer Minute, besonders bevorzugt innerhalb von 10 Sekunden, erfasst werden. Prinzipiell können der erste Sättigungsparameter und der zweite Sättigungsparameter auch nacheinander erfasst werden, beispielsweise in einem Abstand von weniger als 1 Stunde, bevorzugt von weniger als 30 Minuten. Besonders bevorzugt können der erste Sättigungsparameter und der zweite Sättigungsparameter gleichzeitig erfasst werden.
Die Abkühlung des Gasgemischs und/oder des Sensorelements und/oder des Feuchtesensors kann bevorzugt kontinuierlich erfolgen, kann jedoch auch diskontinuierlich, beispielsweise in Stufen erfolgen. Beispielsweise kann die Abkühlung einen im Wesentlichen exponentiellen Abfall der Temperatur aufweisen. Die Abkühlung kann beispielsweise durch Kontakt mit der Umgebungsluft erfolgen, kann jedoch auch durch aktive Kühlung, beispielsweise durch mindestens eine Kühlvorrichtung, beispielsweise ein Peltier-Element, und/oder durch Anbindung, insbesondere der Messstrecke, an einen Kühlkreis, erfolgen.
Der erste Sättigungsparameter und/oder der zweite Sättigungsparameter können bevorzugt bei einer gesättigten Atmosphäre des Gasgemischs erfasst werden. Bei der gesättigten Atmosphäre des Gasgemischs kann es sich um einen Zustand des Gasgemischs handeln, bei welchem sich flüssige und gasförmige Phasen im Gleichgewicht befinden. Beispielsweise kann es sich bei der gesättigten Atmosphäre des Gasgemischs um ein Gasgemisch bei Sättigungsdampfdruck handeln. Bei dem Sättigungsdampfdruck kann es sich bevorzugt um den Druck der dampfförmigen Phase des Gasgemischs handeln, bei welchem eine flüssige und eine dampfförmige Phase sich im Gleichgewicht befinden. Der Sättigungsdampfdruck kann bevorzugt lediglich von der Temperatur des Gasgemischs abhängig sein.
In der gesättigten Atmosphäre des Gasgemischs kann insbesondere eine Verdampfung einer Flüssigkeit mengenmäßig gleich einer Kondensation des Gases sein.
Beispielsweise kann es sich bei der gesättigten Atmosphäre des Gasgemischs um einen Zustand des Gasgemischs bei Siededruck und/oder Siedetemperatur handeln.
Der erste Sättigungsparameter und der zweite Sättigungsparameter können ab einem minimalen Messzeitpunkt bestimmt werden. Zu dem minimalen Messzeitpunkt liegt besonders bevorzugt eine gesättigte Atmosphäre in dem Gasgemisch vor. Bei dem minimalen Messzeitpunkt kann es sich insbesondere um einen Zeitraum handeln, welcher den Beginn des Messzeitraums kennzeichnet. Der minimale Messzeitpunkt kann insbesondere ein Zeitpunkt sein, bei welchem in dem Kalibrierverfahren und/oder bei der Abkühlung zum ersten Mal eine gesättigte Atmosphäre des Gasgemischs, besonders bevorzugt ein Sättigungsdampfdruck, vorliegt. Während des Messzeitraums, insbesondere nach dem minimalen Messzeitpunkt, kann, bevorzugt kontinuierlich, eine gesättigte Atmosphäre in dem Gasgemisch vorliegen.
Weiterhin kann mittels mindestens eines Umgebungstemperatursensors mindestens eine Umgebungstemperatur des Feuchtesensors erfasst werden. Bei dem Umgebungstemperatursensor kann es sich prinzipiell um eine Vorrichtung handeln, welche eingerichtet ist, um die Umgebungstemperatur, insbesondere eine Temperatur der Umgebung, zu erfassen. Der Umgebungstemperatursensor kann beispielsweise wie der Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur des Gasgemischs ausgestaltet sein. Beispielsweise kann es sich bei dem Umgebungstemperatursensor um einen NTC handeln. Bei der Umgebungstemperatur kann es sich insbesondere um eine Temperatur handeln, welche eine Umgebung des Feuchtesensors aufweist, insbesondere einer Umgebung, welche den Feuchtesensor und/oder das Sensorelement und/oder das Gasgemisch während des Messzeitraums und/oder bis zum Erreichen des minimalen Messzeitpunkts abkühlen kann. Beispielsweise kann es sich bei der Umgebungstemperatur um eine Temperatur der Umgebungsluft handeln. Bei der Umgebungstemperatur kann es sich beispielsweise um eine mittlere Temperatur handeln, beispielsweise gemittelt über verschiedene Messzeitpunkte und/oder Messorte, insbesondere in der Umgebung des Feuchtesensors.
Der minimale Messzeitpunkt kann während des erfindungsgemäßen Kalibrierverfahrens bestimmt werden. Bevorzugt kann der minimale Messzeitpunkt während des erfindungsgemäßen Kalibrierverfahrens berechnet werden. Der minimale Messzeitpunkt kann beispielsweise unter Verwendung der Umgebungstemperatur bestimmt werden. Besonders bevorzugt kann der minimale Messzeitpunkt unter Verwendung der Umgebungstemperatur und/oder mindestens eines Dampfdrucks und/oder der Temperatur des Gasgemischs bestimmt werden. Der minimale Messzeitpunkt t_MMZP kann beispielsweise durch Berechnung und/oder Abschätzung des Zeitpunkts, zu welchem die Abkühlung so weit fortgeschritten ist, dass eine gesättigte Atmosphäre des Gasgemischs vorliegt, bestimmt werden, beispielsweise unter Verwendung üblicher Wärmeausgleichsrelationen. Der minimale Messzeitpunkt kann beispielsweise berechnet werden durch:
mit t_SD, dem Zeitpunkt des Beginns des Kalibrierverfahrens, insbesondere einem Shut-Down-Zeitpunkt, τ, einer für das Fahrzeug typische Abkühlkonstante, den Konstanten A, B und C, dem Sättigungsdampfdruck zum Shut-Down-Zeitpunkt p_D,SD und der Temperatur des Gasgemischs bei Beginn des Kalibrierverfahrens, insbesondere bei dem Shut-Down, T_SD und der Umgebungstemperatur T_Amb. Allgemein soll hier unter einem Shut-Down ein Vorgang verstanden werden, bei welchem ein Normalbetriebsmodus der Vorrichtung und/oder des Feuchtesensors gestoppt wird. Beispielsweise kann dies ein Abschalten einer Messfunktion und/oder einer Heizung und/oder eines Betriebs eines Brennstoffzellensystems sein. Unter einer Messgröße, die als Shut-Down-Messgröße bezeichnet wird, wird dementsprechend die jeweilige Messgröße zum Zeitpunkt des Shut-Downs, also zum Shut-Down-Zeitpunkt, bezeichnet. Beispielsweise ist die Shut-Down-Temperatur die Temperatur zum Shut-Down-Zeitpunkt.
Der minimale Messzeitpunkt kann weiterhin unter Verwendung mindestens einer Initialtemperatur an dem Sensorelement bestimmt werden. Bei der Initialtemperatur kann es sich insbesondere um die Temperatur des Gasgemischs zu Beginn des Kalibrierverfahrens, insbesondere zu Beginn der Abkühlung handeln. Bei der Initialtemperatur kann es sich beispielsweise um die Shut-Down-Temperatur T_SD handeln. Bei der Initialtemperatur kann es sich insbesondere um die Temperatur des Gasgemischs zu Beginn der Kalibrierung handeln. Beispielsweise kann zur Bestimmung des minimalen Messzeitpunkts auch eine Initialtemperatur an dem Feuchtesensor bestimmt werden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Messverfahren zur Erfassung mindestens eines Feuchteparameters eines Gasgemischs. Bei dem Feuchteparameter kann es sich um einen Feuchteparameter wie oben beschrieben handeln. Bei dem Gasgemisch kann es sich ebenfalls um ein Gasgemisch wie oben beschrieben handeln.
In dem Messverfahren wird mindestens ein Feuchtesensor und mindestens eine Ansteuerung verwendet. Der Feuchtesensor kann beispielsweise mindestens ein Sensorelement zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Gasgemisch aufweisen. Der Feuchtesensor und/oder das Sensorelement können wie oben beschrieben ausgestaltet sein. Der Feuchtesensor kann optional mindestens einen Drucksensor zur Erfassung eines Gesamtdrucks des Gasgemischs aufweisen. In mindestens einem Normalbetriebsmodus wird der Feuchteparameter des Gasgemischs bestimmt. Beispielsweise kann in dem Normalbetriebsmodus der Feuchteparameter des Gasgemischs mittels eines durch das Sensorelement erfassten Anteils der Gaskomponenten und eines durch den Drucksensor erfassten Gesamtdruck des Gasgemischs bestimmt werden. Bei dem Anteil der Gaskomponente kann es sich insbesondere um einen Sauerstoffpartialdruck handeln. Optional kann der Feuchtesensor mindestens einen Temperatursensor umfassen, wobei der Temperatursensor eingerichtet sein kann, um die Temperatur des Gasgemischs zu bestimmen. Aus der Temperatur des Gasgemischs und dem Gesamtdruck und dem Anteil der Gaskomponente kann eine relative Feuchtigkeit, bevorzugt eine relative Luftfeuchtigkeit, erfasst werden. In mindestens einem Kalibriermodus kann das oben beschriebene Kalibrierverfahren durchgeführt werden. Die Erfassung des Feuchteparameters, insbesondere während des Normalbetriebsmodus, kann bevorzugt zeitlich getrennt von dem Kalibrierverfahren durchgeführt werden. Prinzipiell kann sich die Erfassung des Feuchteparameters und/oder der Normalbetriebsmodus auch zumindest teilweise mit dem Kalibriermodus überschneiden.
In dem Messverfahren kann weiterhin mindestens ein Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur des Gasgemischs in dem Normalbetriebsmodus verwendet werden. Der Feuchteparameter kann unter Verwendung der Temperatur des Gasgemischs in dem Normalbetriebsmodus bestimmt werden. Bei dem Feuchteparameter kann es sich, insbesondere unter Benutzung des Temperatursensors, beispielsweise um eine relative Luftfeuchtigkeit und/oder um weitere Messgrößen, beispielsweise einen Anteil der Gaskomponente und/oder einen Gesamtdruck, handeln. Die relative Luftfeuchtigkeit Φ_luft kann, insbesondere unter Benutzung obiger Formeln, berechnet werden aus dem durch den Drucksensor erfassten Gesamtdruck des Gasgemischs, insbesondere einem Luftdruck p, dem durch das Sensorelement erfassten Anteil der Gaskomponente in dem Gasgemisch, bevorzugt einem Sauerstoffpartialdruck p_O2, und der von dem Temperatursensor erfassten Temperatur des Gasgemischs T_luft durch:

einem bekannten Verhältnis aus Stickstoff zu Sauerstoff, vorzugsweise 0,79/0,21. Der Temperatursensor kann dauerhaft in oder an dem Feuchtesensor integriert sein. Alternativ dazu kann der Temperatursensor während des Normalbetriebsmodus und/oder während des Kalibriemodus zumindest zeitweise aus dem Feuchtesensor ausgebaut sein oder inaktiviert sein.
Bei einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Messverfahrens ohne Temperatursensor während des Normalbetriebsmodus kann als Feuchteparameter beispielsweise der Dampfdruck p_Dampf erfasst werden. Bei einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Messverfahrens mit Temperatursensor können als Feuchteparameter beispielsweise der Dampfdruck p_Dampf und/oder der Dampfsättigungsdruck p_s und/oder die relative Luftfeuchtigkeit Φ_Luft erfasst werden.
Der Kalibriermodus kann wiederholt durchgeführt werden. Beispielsweise kann der Kalibriermodus abwechselnd mit dem Normalbetriebsmodus durchgeführt werden. Beispielsweise kann der Kalibriermodus vor Inbetriebnahme des Feuchtesensors durchgeführt werden.
Der Kalibriermodus kann nach einem bestimmten zeitlichen Abstand, insbesondere zu dem vorhergehenden Kalibriermodus, mindestens ein Mal wiederholt werden. Bei dem bestimmten zeitlichen Abstand kann es sich um einen vorbestimmten und/oder um einen in dem Normalbetriebsmodus und/oder in dem Kalibriermodus errechneten zeitlichen Abstand handeln. Bei dem zeitlichen Abstand kann es sich beispielsweise um einen Abstand von weniger als einem Jahr, bevorzugt weniger als einem Monat handeln. Besonders bevorzugt kann der Kalibriermodus monatlich wiederholt werden. Der zeitliche Abstand kann von einem jeweiligen Anwendungsfall abhängig sein. In einem Fahrzeug könnte der zeitliche Abstand beispielsweise auch kürzer als ein Monat sein. Der zeitliche Abstand kann beispielsweise von einer tolerierbaren Sensorabweichung bestimmt sein. Geringe tolerierbare Abweichungen können beispielsweise zu kürzeren zeitlichen Abständen zwischen den Kalibriervorgängen führen.
Das erfindungsgemäße Kalibrierverfahren und/oder das erfindungsgemäße Messverfahren und/oder die erfindungsgemäße Vorrichtung können eine Vielzahl von Vorteilen gegenüber bekannten Kalibrierverfahren und/oder bekannten Messverfahren und/oder bekannten Vorrichtungen aufweisen. Das erfindungsgemäße Kalibrierverfahren und/oder das erfindungsgemäße Messverfahren und/oder die erfindungsgemäße Vorrichtung verbessern eine Genauigkeit der Erfassung eines Feuchteparameters eines Gasgemischs und/oder sind tauglich für Automobilanwendungen. Der Feuchtesensor kann kalibriert werden und/oder eine Alterung des Feuchtesensors, beispielsweise mindestens einer Lambda-Sonde, und eine damit verbundene Änderung eines Sensorwerts, beispielsweise des Feuchteparameters, kann korrigiert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den nachfolgenden Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2A und 2B ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kalibrierverfahrens;
3A und 3B ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kalibrierverfahrens;
4 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Kalibrierverfahrens;
5 ein Ausführungsbeispiel eines Brennstoffzellensystems, in welchem ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet werden kann und/oder Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Kalibrierverfahrens und/oder des erfindungsgemäßen Messverfahrens durchgeführt werden können;
6 Einflüsse einer Regelung eines Feuchteparameters mittels eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
7A und 7B Einflüsse einer Regelung eines Feuchteparameters mittels eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf ein Brennstoffzellensystem;
8 Toleranzband und Toleranzkette eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Feuchtesensors; und
9A, 9B, 9C, 9D und 9E Messfehler und Toleranzketten eines erfindungsgemäßen Feuchtesensors.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 110 zur Erfassung mindestens eines Feuchteparameters eines Gasgemischs. Die Vorrichtung 110 umfasst mindestens einen Feuchtesensor 112. Der Feuchtesensor 112 kann mindestens ein Sensorelement 114 zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Gasgemisch umfassen. Der Feuchtesensor 112 kann weiterhin mindestens einen Drucksensor 116 zur Erfassung eines Gesamtdrucks des Gasgemischs umfassen. Die Vorrichtung 110 umfasst weiterhin mindestens einen Temperatursensor 118 zur Erfassung des Gasgemischs. Die Vorrichtung 110 weist mindestens eine Ansteuerung 120 auf. Die Ansteuerung 120 ist eingerichtet, um ein erfindungsgemäßes Kalibrierverfahren und/oder ein erfindungsgemäßes Messverfahren durchzuführen. Das Sensorelement 114 und/oder der Drucksensor 116 und/oder der Temperatursensor 118 und/oder der Feuchtesensor 112 können mit der Ansteuerung 120 durch mindestens eine Schnittstelle 122 miteinander verbunden sein. Das Sensorelement 114 und/oder der Drucksensor 116 und/oder der Temperatursensor 118 können miteinander verbunden sein, beispielsweise mechanisch und/oder elektrisch verbunden. Der Feuchtesensor 112 und/oder das Sensorelement 114 und/oder der Drucksensor 116 können getrennt voneinander ausgestaltet sein, können jedoch auch in den Feuchtesensor 112 integriert sein. Bei dem Anteil kann es sich beispielsweise um eine Konzentration und/oder einen Volumenanteil und/oder einen Partialdruck, besonders bevorzugt um einen Sauerstoffpartialdruck, handeln. Bei dem Sensorelement 114 kann es sich bevorzugt um eine Breitband-Lambdasonde handeln. Beispielsweise kann es sich bei dem Sensorelement 114 auch um einen NO_x-Sensor handeln. Bei dem Sensorelement 114 kann es sich bevorzugt um ein keramisches Sensorelement 114 handeln, welches auf der Verwendung von elektrolytischen Eigenschaften bestimmter Festelektrolyte 126 basiert, also auf ionenleitenden Eigenschaften dieser Festkörper. Das Sensorelement 114 kann mindestens eine Pumpzelle 124 mit wenigstens zwei durch mindestens einen Festelektrolyten 126 verbundenen Pumpelektroden 128 aufweisen. Bei der Pumpzelle 124 kann es sich grundsätzlich um eine beliebige elektrochemische Zelle handeln, welche mindestens zwei Elektroden 129, beispielsweise Pumpelektroden 128, und den Festelektrolyten 126 umfasst, wobei die Zelle vorzugsweise in einem Pumpbetrieb betrieben wird. Bei dem Festelektrolyten 126 kann es sich insbesondere um einen keramischen Festkörper handeln. Der Festelektrolyt 126 kann bevorzugt ionenleitende, insbesondere Sauerstoffionen-leitende, Eigenschaften aufweisen. Beispiele derartiger Festelektrolyte 126 sind auf Zirkoniumdioxid basierende Festelektrolyte 126, wie beispielsweise Yttrium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid (YSZ) und/oder Scandium-dotiertes Zirkoniumdioxid (ScSZ). Bei einer Pumpzelle 124 kann es sich insbesondere um eine Zelle handeln, durch welche ein Ionenstrom fließen und/oder getrieben werden kann, wobei an den Pumpelektroden 128 der Pumpzelle 124 durch Oxidation und/oder Reduktion Umwandlungen von einem Ionenstrom in einen Elektronenstrom stattfinden können. Die Pumpelektroden 128 können zumindest teilweise aus mindestens einem leitenden Material, beispielsweise mindestens einem metallischen Material, aufgebaut sein. An mindestens einer Oberfläche einer Pumpelektrode 128 kann eine Umwandlung eines Ionenstroms in einen Elektronenstrom stattfinden. Von den Pumpelektroden 128 ist eine erste Pumpelektrode dem Gasgemisch aussetzbar und eine zweite Pumpelektrode durch mindestens eine poröse Diffusionsbarriere 130 von dem Gasgemisch getrennt und in einem Hohlraum 132 angeordnet. Die Pumpelektroden 128 können also mindestens eine erste Pumpelektrode und mindestens eine zweite Pumpelektrode umfassen. Die erste Pumpelektrode und/oder die zweite Pumpelektrode können prinzipiell wie eine Pumpelektrode 128 ausgestaltet sein.
Die Bezeichnungen „erste“ und „zweite“ dienen im Rahmen der vorliegenden Erfindung als reine Bezeichnung und geben insbesondere keinen Aufschluss auf eine Reihenfolge.
Die Bezeichnungen „erste“ und „zweite“ geben weiterhin auch keinen Aufschluss darüber, ob beispielsweise noch weitere Pumpelektroden oder Elektroden 129 von den Pumpelektroden 128 umfasst sind, beispielsweise mindestens eine dritte Pumpelektrode und/oder mindestens eine Referenzelektrode und/oder mindestens eine Nernstelektrode. Die Vorrichtung 110 kann dementsprechend beispielsweise mindestens eine dritte Pumpelektrode und/oder mindestens eine dritte Elektrode, beispielsweise mindestens eine Referenzelektrode umfassen. Weiterhin kann das Sensorelement 114 mindestens eine Nernstelektrode, also eine Elektrode 129, welche ein Nernstpotenzial erfassen kann, beispielsweise in Kombination mit mindestens einer Referenzelektrode, umfassen. Unter der Diffusionsbarriere 130 kann beispielsweise eine Schicht aus einem Material verstanden werden, welche eine Strömung des Gases und/oder eines Fluides und/oder des Gasgemischs und/oder der Gaskomponente unterdrückt, währenddessen die Schicht eine Diffusion des Gases und/oder des Fluids und/oder des Gasgemischs und/oder der Gaskomponente und/oder von Ionen fördert. Unter dem Hohlraum 132 kann ein Raum innerhalb des Sensorelements 114 verstanden werden, welcher mit der Gaskomponente und/oder mit dem Gasgemisch beaufschlagbar sein kann, beispielsweise über mindestens einen Gaszutrittsweg 140 und/oder über die Diffusionsbarriere 130. Bei dem Hohlraum 132 kann es sich beispielsweise um eine Kammer handeln. Das Sensorelement 114 kann weiterhin mindestens einen Referenzgasraum 142 und/oder mindestens einen Referenzgaskanal umfassen. Die Vorrichtung 110 und/oder die Ansteuerung 120 können mindestens eine Datenverarbeitungsvorrichtung 144 aufweisen. Beispielsweise kann die Datenverarbeitungsvorrichtung 144 in der Ansteuerung 120 integriert sein, kann jedoch beispielsweise auch zumindest teilweise separat von der Ansteuerung 120 angeordnet sein. Die Ansteuerung 120 und/oder die Datenverarbeitungsvorrichtung 144 können beispielsweise mit dem Sensorelement 114 und/oder mit dem Drucksensor 116 und/oder mit dem Temperatursensor 118 und/oder mit dem Feuchtesensor 112 verbunden und/oder verbindbar sein. Unter der Ansteuerung 120 kann eine Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, um mindestens eine Funktion der Vorrichtung 110, beispielsweise des Sensorelements 114 und/oder des Drucksensors 116 und/oder des Temperatursensors 118 und/oder des Feuchtesensors 112, zu unterstützen und/oder zu steuern. Unter „verbindbar“ kann beispielsweise eine Eigenschaft verstanden werden, bei welcher eine elektrische Verbindung hergestellt werden kann oder bereits besteht. Die Ansteuerung 120 kann mindestens eine Spannungsmessvorrichtung und/oder mindestens eine Strommessvorrichtung zur Erfassung mindestens eines elektrischen Stroms und/oder mindestens einer elektrischen Spannung und/oder zur Regelung mindestens eines elektrischen Stroms und/oder zur Regelung mindestens einer elektrischen Spannung umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Ansteuerung 120 und/oder das Sensorelement 114 und/oder der Drucksensor 116 und/oder der Temperatursensor 118 und/oder der Feuchtesensor 112 mindestens eine Beaufschlagungsvorrichtung aufweisen. Die Beaufschlagungsvorrichtung kann insbesondere mindestens eine Spannungsquelle und/oder mindestens eine Stromquelle umfassen. Beispielsweise kann die Beaufschlagungsvorrichtung eingerichtet sein, um den Feuchtesensor 112 und/oder das Sensorelement 114 und/oder den Drucksensor 116 und/oder den Temperatursensor 118 mit mindestens einem elektrischen Strom und/oder mit mindestens einer elektrischen Spannung zu beaufschlagen. Die Vorrichtung 110 kann den Temperatursensor 118 dauerhaft umfassen. Beispielsweise kann der Temperatursensor 118 auch reversibel von dem Feuchtesensor 112 umfasst sein, beispielsweise für einen besonderen Betriebszustand der Vorrichtung 110, beispielsweise während des erfindungsgemäßen Kalibrierverfahrens. Während des erfindungsgemäßen Messverfahrens kann der Temperatursensor 118 zumindest zeitweise aus der Vorrichtung 110 ausgebaut sein und/oder kann deaktiviert sein.
Die Vorrichtung 110 kann optional mindestens einen Umgebungstemperatursensor 146 zur Bestimmung mindestens einer Umgebungstemperatur einer Umgebung des Feuchtesensors 112 und/oder der Vorrichtung 110 und/oder des Sensorelements 114 und/oder des Drucksensors 116 und/oder des Temperatursensors 118 umfassen, insbesondere um einen minimalen Messzeitpunkt innerhalb des erfindungsgemäßen Kalibrierverfahrens zu bestimmen. Andere Ausgestaltungen der Vorrichtung 110 sind prinzipiell möglich.
In den 2A, 2B, 3A, 3B und 4 sind Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Kalibrierverfahrens zum Kalibrieren eines Feuchtesensors 112, wie beispielsweise oben beschrieben, zur Erfassung mindestens eines Feuchteparameters eines Gasgemischs dargestellt. Der Feuchtesensor 112 umfasst mindestens ein Sensorelement 114 zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Gasgemisch. Der Feuchtesensor 112 kann weiterhin mindestens einen Drucksensor 116 zur Erfassung eines Gesamtdrucks des Gasgemischs umfassen. Bei dem Kalibrierverfahren wird eine Temperatur des Gasgemischs erfasst. Aus der Temperatur des Gasgemischs wird auf mindestens einen ersten Sättigungsparameter geschlossen. Es wird mindestens ein zweiter Sättigungsparameter erfasst. Beispielsweise kann der zweite Sättigungsparameter unter Verwendung des Sensorelements 114 und des Drucksensors 116 erfasst werden. Die Ausdrücke „erste“ und/oder „zweite“ sind hierbei als reine Bezeichnungen zu verstehen, insbesondere ohne Hinweis auf eine Reihenfolge und ohne Hinweis darauf, ob eventuell noch weitere Sättigungsparameter, beispielsweise mindestens ein dritter Sättigungsparameter, in dem Kalibrierverfahren erfasst werden können. Mittels eines Vergleichs 162 des ersten Sättigungsparameters mit dem zweiten Sättigungsparameter wird der Feuchtesensor 112 kalibriert. Das Kalibrierverfahren wird durch mindestens eine Ansteuerung 120 durchgeführt. Bei dem erfindungsgemäßen Kalibrierverfahren kann es sich insbesondere um ein On-Board-Adaptions-Verfahren handeln.
Der zweite Sättigungsparameter kann aus einem mittels des Drucksensors 116 erfassten Gesamtdruck des Gasgemischs und aus einem mittels des Sensorelements 114 erfassten Anteil der Gaskomponente in dem Gasgemisch bestimmt werden, insbesondere bei Verwendung des Sensorelements 114, bevorzugt bei Verwendung der Lambdasonde. In dem Vergleich 162 kann eine Differenz zwischen dem zweiten Sättigungsparameter und dem ersten Sättigungsparameter bestimmt werden, wobei aus der Differenz mindestens eine Korrekturfunktion in Abhängigkeit von der Temperatur des Gasgemischs bestimmt werden kann. Die Korrekturfunktion kann mit mindestens einem Faktor multipliziert werden. Zur Erfassung der Temperatur des Gasgemischs kann mindestens ein Temperatursensor 118 verwendet werden.
Die Temperatur an dem Feuchtesensor 112 und/oder an dem Sensorelement 114 kann während des Kalibrierens und/oder vor dem Kalibrieren abgesenkt werden. Zumindest ein Teil des Feuchtesensors 112 kann während des Kalibrierens und/oder vor dem Kalibrieren von Luft durchströmt werden. Der erste Sättigungsparameter und der zweite Sättigungsparameter können jeweils wiederholt über einen Messzeitraum hinweg erfasst werden. Das Gasgemisch und/oder das Sensorelement 114 und/oder der Drucksensor 116 und/oder der Temperatursensor 118 und/oder der Feuchtesensor 112 können während des Messzeitraums zumindest teilweise abgekühlt werden. Der erste Sättigungsparameter und der zweite Sättigungsparameter können in einer gesättigten Atmosphäre des Gasgemischs erfasst werden. Das Kalibrierverfahren kann beispielsweise auch Kalibrierungsverfahren genannt werden. Nach einem Abstellen, beispielsweise einem Shut-Down, eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines Brennstoffzellensystems wie in 5 dargestellt, können sich das Brennstoffzellensystem und/oder der Feuchtesensor 112 abkühlen. An bestimmten Stellen, beispielsweise zwischen einem Befeuchteraustritt und einem Kathodeneintritt einer Zuluftseite, kann es aufgrund einer hohen Luftfeuchtigkeit bereits nach einer geringen Abkühlung zur Kondensation kommen. Bei der Abkühlung zur Kondensation entspricht die Taupunkttemperatur üblicherweise der Temperatur des Gasgemischs, insbesondere der aktuellen Lufttemperatur. Diese Gleichheit der Temperatur des Gasgemischs mit der Taupunkttemperatur bei der Kondensation kann verwendet werden, um das Sensorelement 114 und/oder den Feuchtesensor 112 und ein damit verbundenes erfindungsgemäßes Messverfahren, insbesondere ein Feuchtemessverfahren, zu kalibrieren. Das erfindungsgemäße Kalibrierverfahren kann beispielsweise immer dann verwendet werden, wenn neben dem Feuchtesensor 112, umfassend beispielsweise das Sensorelement 114 und den Drucksensor 116, auch ein Temperatursensor, beispielsweise der Temperatursensor 118, an der entsprechenden Messstelle, beispielsweise zumindest teilweise an dem Hohlraum 132 und/oder an dem Gaszutrittsweg 140 des Sensorelements 114, vorhanden ist und in bestimmten Betriebsbereichen mit hoher Wahrscheinlichkeit Kondensation auftritt.
Der erste Sättigungsparameter und/oder der zweite Sättigungsparameter können bevorzugt ab einem minimalen Messzeitpunkt t_MMZP bestimmt werden. Zu dem minimalen Messzeitpunkt liegt vorzugsweise eine gesättigte Atmosphäre in dem Gasgemisch vor. Mittels mindestens eines Umgebungstemperatursensors 146 kann mindestens eine Umgebungstemperatur einer Umgebung des Feuchtesensors 112 erfasst werden. Der Umgebungstemperatursensor 146 kann Teil der Vorrichtung 110 und/oder des Feuchtesensors 112 und/oder des Sensorelements 114 und/oder des Drucksensors 116 und/oder des Temperatursensors 118 sein, kann jedoch auch zumindest teilweise getrennt von den genannten Elementen angeordnet und/oder ausgestaltet sein. Der Umgebungstemperatursensor 146 kann beispielsweise zumindest teilweise in der Vorrichtung 110 und/oder in dem Feuchtesensor 112 und/oder in dem Sensorelement 114 und/oder in dem Drucksensor 116 und/oder in dem Temperatursensor 118 integriert sein. Beispielsweise kann der Umgebungstemperatursensor 146 auch zumindest teilweise getrennt von den genannten Elementen ausgestaltet sein. Der Umgebungstemperatursensor 146 kann mit der Ansteuerung 120 zumindest teilweise verbunden sein, beispielsweise über mindestens eine Schnittstelle 122, wie in 1 dargestellt. Der minimale Messzeitpunkt kann unter Verwendung der Umgebungstemperatur bestimmt werden. Der minimale Messzeitpunkt kann weiterhin unter Verwendung mindestens einer Initialtemperatur, beispielsweise an dem Sensorelement 114 und/oder an dem Feuchtesensor 112, bestimmt werden. Die Initialtemperatur kann bevorzugt von dem Temperatursensor 118 erfasst werden.
In 2A sind insbesondere Temperaturen der Vorrichtung 110, insbesondere eines Luftsystems 166 einer Brennstoffzelle, über eine Zeit aufgetragen. Bei den Temperaturen kann es sich beispielsweise um eine Lufttemperatur L_Luft handeln. Zum Zeitpunkt t_SD kann insbesondere ein Shut-Down durchgeführt werden. Bei dem Zeitpunkt t_SD kann es sich bevorzugt um den Zeitpunkt des Beginns des Kalibrierverfahrens handeln, insbesondere um einen Shut-Down-Zeitpunkt. Bei dem Shut-Down kann beispielsweise ein Normalbetriebsmodus der Vorrichtung 110 und/oder des Feuchtesensors 112 gestoppt werden. Nach dem Shut-Down kann die Vorrichtung 110, insbesondere der Feuchtesensor 112 und/oder das Luftsystem 166 der Brennstoffzelle, üblicherweise kurz mit Luft durchströmt werden, bevorzugt ohne dass weitere Reaktionen, beispielsweise von Sauerstoff mit Wasserstoff, erfolgen können. Es kann somit bevorzugt davon ausgegangen werden, dass ein Verhältnis einer Sauerstoffkonzentration zu einer Stickstoffkonzentration dem der Umgebung entspricht und beispielsweise keine an Sauerstoff abgereicherte Luft mehr in der Vorrichtung 110 und/oder in dem Luftsystem 166 der Brennstoffzelle, beispielsweise auch System genannt, vorhanden ist. Somit kann bevorzugt ein Quotient aus der Stickstoffkonzentration und der Sauerstoffkonzentration und/oder aus einem Stickstoffanteil und einem Sauerstoffanteil als konstant betrachtet werden, insbesondere um dieses Verhältnis entsprechend einer Gleichung für p_Dampf, wie oben aufgeführt, als konstant zu betrachten. Nach dem Shut-Down kühlt die Vorrichtung 110 und/oder das Luftsystem 166 der Brennstoffzelle bevorzugt aus, was beispielsweise zur Folge hat, dass die Temperatur des Gasgemischs, insbesondere eine Temperatur an einer Messstelle, insbesondere an einer Messstelle des Feuchtesensors 112, sinkt, wie beispielsweise in 2A in der Linie 148 eingezeichnet. An dem Feuchtesensor 112, beispielsweise an der Messstelle, kann bevorzugt nach wie vor eine hohe relative Luftfeuchte mit einem realen Taupunkt T_TP,real, wie in 2A in Linie 150 eingezeichnet, vorhanden sein. Wenn die Temperatur die Taupunkt-Temperatur des Gasgemischs, insbesondere an der Messstelle, unterschreitet, kann es dort bevorzugt zur Kondensation kommen, wobei die Temperatur und die reale Taupunkttemperatur T_TP,real ab dem Zeitpunkt t_Mess,Start, beispielsweise zum minimalen Messzeitpunkt t_MMZP identisch sind. Bevorzugt kann zu jedem Zeitpunkt, insbesondere zu jedem Zeitpunkt nach dem minimalen Messzeitpunkt t_MMZP, während des erfindungsgemäßen Kalibrierverfahrens, der Feuchteparameter, insbesondere eine relative Feuchte, gemessen werden, wobei durch das erfindungsgemäße Kalibrierverfahren auch der Taupunkt T_TP,λ-Sonde, wie in der Linie 152 in 2A dargestellt, gemessen werden kann, welcher aufgrund der bereits diskutierten Sensorungenauigkeiten von T_TP,real abweichen kann. Diese Abweichung kann, wie in 2B dargestellt, über der Temperatur aufgetragen werden und als adaptierbare Korrekturlinie kalibriert werden und bevorzugt bei der Bestimmung des Feuchteparameters, insbesondere einer Feuchte, beispielsweise mit dem Sensorelement 114, insbesondere mit der Lambda-Sonde, hinterlegt werden. Diese Korrekturlinie, wie beispielsweise in 2B dargestellt, kann gegebenenfalls temperaturabhängig sein. Die Korrekturlinie, wie beispielsweise in 2B dargestellt, kann beispielsweise durch eine Linie 154 extrapoliert werden. Der Zeitpunkt t_Mess,Start und/oder die Temperatur T(t_Mess,Start) und/oder der minimale Messzeitpunkt t_MMZP, ab welchem bevorzugt eine Kalibrierung und/oder eine Adaption erfolgen kann, kann durch Applikation in dem Fahrzeug und/oder in dem System festgelegt werden, beispielsweise aus Erfahrungswerten und/oder aus Berechnungen und/oder aus einer Berechnung im Rahmen des erfindungsgemäßen Kalibrierverfahrens in der Vorrichtung 110.
Zunächst kann eine Kalibrierung und/oder eine Korrektur des von dem Feuchtesensor 112 gemessenen Feuchteparameter, beispielsweise der von der Lambda-Sonde gemessenen Feuchte, für Temperaturen möglich sein, welche unter einer Betriebstemperatur, insbesondere des Feuchtesensors 112, liegen, da eine Abkühlung bei der Kalibrierung und/oder der Adaption erforderlich ist, insbesondere bis zu einem Taupunkt. Eine Korrektur des erfassten Feuchteparameters, beispielsweise eine Korrektur der von der Lambda-Sonde gemessenen Feuchte, insbesondere die Kalibrierung, ist bevorzugt für Temperaturen möglich, welche unterhalb einer Betriebstemperatur liegen, da eine Abkühlung, bevorzugt bis zum Einsetzen einer Kondensation, bei der Adaption und/oder bei der Kalibrierung üblicherweise erforderlich ist. Die Korrektur und/oder die Kalibrierung der Erfassung des Feuchteparameters, insbesondere die Feuchtemessung, kann dennoch bei anderen, insbesondere höheren Betriebstemperaturen, möglich sein, da bei einer Extrapolation der Korrekturkennlinie und/oder des Korrekturwerts für den Taupunkt üblicherweise keine allzu großen Fehler zu erwarten sind. In eine Toleranz der Lambda-Sonde können beispielsweise insbesondere die Sensor-zu-Sensor-Abweichungen eingehen, welche beispielsweise auch bei einer Extrapolation mit hoher Wahrscheinlichkeit eliminiert werden können. Alternativ oder zusätzlich zu der Extrapolation kann auch die Kalibrierung und/oder die Adaption erst aktiviert werden, wenn vor dem Shut-Down 156 eine höchstmögliche erwartete Betriebstemperatur erreicht wird. Falls dies in einem langen Zeitraum nicht erfolgen sollte, kann eine erzwungene Erhöhung der Betriebstemperatur für Adaptionszwecke, insbesondere in dem erfindungsgemäßen Kalibrierverfahren, vor dem Abstellen, insbesondere vor dem Shut-Down 156, möglich sein. Wird das System, beispielsweise das Luftsystem 166 der Brennstoffzelle, bei einer erhöhten Betriebstemperatur abgestellt, kann die Korrektur und/oder die Kalibrierung, insbesondere der von der Lambda-Sonde gemessenen Feuchte, bevorzugt zu allen nachfolgenden Betriebspunkten in einem niedrigeren Standard-Temperaturbereich, insbesondere bei niedrigeren Temperaturen, vorzugsweise ohne Extrapolation, erfolgen.
Die Korrekturlinie kann nach bestimmten zeitlichen Abständen, beispielsweise monatlich, neu bestimmt werden. Hiermit können beispielsweise ein Alterungseffekt der Vorrichtung 110 und/oder des Feuchtesensors 112 und/oder des Sensorelements 114 und/oder des Drucksensors 116 und/oder des Temperatursensors 118, insbesondere eines Sensors, und beispielsweise eine damit eventuell verbundene Änderung eines Sensorwerts, beispielsweise der Lambda-Sonde, korrigiert werden.
In den 2A und 2B ist insbesondere eine Reduzierung einer Messtoleranz durch Kalibrierung aufgezeigt. Aus den in 2A dargestellten Temperaturverläufen kann beispielsweise die in 2B dargestellte Korrekturkennlinie erstellt werden. 2A zeigt das Abstellen eines Systems, wobei das System vorzugsweise die erfindungsgemäße Vorrichtung 110 umfasst, und/oder ein Abkühlen nach dem Shut-Down (SD) 156. Ab t_Mess,Start kondensiert vorzugsweise Wasserdampf aus. Für t > t_Mess,Start gilt T_TP,real = T. Bevorzugt liefert der Feuchtesensor 112, beispielsweise die Lambda-Sonde, einen Taupunkt für T_{TP,min,λ-Sonde} < T_TP,λ-Sonde < T_{TP,max,λ-Sonde}. Aus dem Vergleich 162, beispielsweise einem Abgleich, zwischen T_TP,λ-Sonde und T_TP,real kann ein Fehler des Feuchtesensors 112, beispielsweise der Lambdasonde, ΔT_TP,λ-Sonde, insbesondere in 2B gegenüber der Temperatur T_TP,real = T aufgetragen, ermittelt und/oder korrigiert werden.
Durch eine, insbesondere kurzzeitige, Erhöhung der Betriebstemperatur, insbesondere des Feuchtesensors 112, kann die Kalibrierung und/oder der Abgleich auch für eine normalerweise niedrigere Betriebstemperatur erfolgen. Zu der Kalibrierung des Feuchtesensors 112, beispielsweise der Lambdasonde, kann insbesondere eine Kondensation in dem System, beispielsweise in der Vorrichtung 110, bei einem Abkühlen verwendet werden. 2A zeigt insbesondere die Temperatur an dem Feuchtesensor 112 sowie einen, insbesondere als Temperatur ausgedrückten, entsprechenden Dampfdruck über der Zeit aufgetragen.
3A zeigt einen Temperaturabfall nach dem Zeitpunkt des Shut-Downs t_SD bis zu dem minimalen Messzeitpunkt t_MMZP, wobei 3B einen entsprechenden Verlauf des Dampfdruckes zeigt. 3A zeigt insbesondere die Temperatur in Abhängigkeit von der Zeit und 3B zeigt insbesondere den Dampfdruck p_Dampf in Abhängigkeit von der Zeit t. Nach dem Shut-Down 156, insbesondere zur Zeit t_SD, kühlen die Vorrichtung 110 und/oder das System bevorzugt aus, was üblicherweise zur Folge hat, dass die Temperatur, wie in 3A dargestellt, in dem Gasgemisch, bevorzugt an der Messstelle, sinkt, bevorzugt von T_SD ausgehend. In dem Gasgemisch und/oder an der Messstelle ist üblicherweise eine hohe relative Luftfeuchtigkeit vorhanden, wobei das Gasgemisch, beispielsweise die Luft, üblicherweise ungesättigt ist. Der Dampfdruck p_D,SD ist somit üblicherweise geringer als der Sättigungsdampfdruck p_s zum Zeitpunkt p_SD. Durch die Abkühlung der Vorrichtung 110 und/oder des Systems, insbesondere zumindest eines Teils des Gasgemischs, kühlt sich die Feuchtemessstelle auch ab, insbesondere derart, dass sich der Sättigungsdampfdruck dem Dampfdruck annähert. Der minimale Messzeitpunkt t_MMZP ist üblicherweise erreicht, wenn p_s und p_D,SD identisch sind, insbesondere wenn gilt: p_s,MMZP = p_D,SD, bevorzugt bei Vorliegen der Temperatur T_MMZP zum minimalen Messzeitpunkt. Der Sättigungsdampfdruck kann bevorzugt durch die sogenannte Antoine-Gleichung beschrieben werden:
beispielsweise mit den Parametern A = 11,74, B = 3863,84, K und C = –43,7K. Durch Umschreibung der letzten beiden Formeln ergibt sich:
Das Abkühlungsverhalten kann bevorzugt einem exponentiellen Abfall folgen, bevorzugt in Abhängigkeit von der vorherrschenden Temperatur während des Shut-Downs T_SD und der Umgebungstemperatur T_Amb:
Um den minimalen Messzeitpunkt abzuschätzen, kann beispielsweise ein typisches Abkühlungsverhalten der Vorrichtung 110 und/oder des Feuchtesensors 112 und/oder des Sensorelements 114 und/oder des Drucksensors 116 und/oder des Temperatursensors 118 und/oder des Systems und/oder des Luftsystems 166 und/oder des Fahrzeugs, allgemein von einem den Feuchtesensor 112 umfassenden System, zugrunde gelegt werden. Aus der Temperatur des Gasgemischs T_SD, insbesondere der Temperatur an der Feuchtemessstelle, und der Umgebungstemperatur T_Amb, jeweils zum Zeitpunkt des Shut-Downs 156, insbesondere des Shut-Down-Vorgangs, kann ein Abkühlungsverlauf berechnet und/oder simuliert und/oder nachgestellt werden. Durch Gleichsetzen der letzten beiden Formeln und Vereinfachung ergibt sich für den minimalen Messzeitpunkt bevorzugt:
Mit dieser Gleichung kann beispielhaft der minimale Messzeitpunkt, insbesondere ein Wert für einen minimalen Messzeitpunkt, für typische Betriebsbedingungen berechnet werden. Prinzipiell kann alternativ oder zusätzlich auch eine andere Gleichung und/oder eine Tabelle Verwendung finden. Beispielhaft können folgende Werte verwendet werden: Abklingkonstante τ = 360 min, Dampfdruck zum Zeitpunkt des Shut-Downs p_D,SD = 0,160 bar, entsprechend ungefähr 50% relative Feuchte, T_SD = 70°C und T_Amb = 10°C. Für diese beispielhaften Werte lautet das Ergebnis t_MMZP – t_SD = 102 min.
Zu diesem Zeitpunkt, bevorzugt zu dem minimalen Messzeitpunkt, kann die Ansteuerung 120, beispielsweise ein Steuergerät des Fahrzeugs, erweckt werden und die Temperatur an der Feuchtemessstelle T_MMZP,mess sowie ein Dampfdruck p_D,MMZP,mess erfasst und/oder gemessen werden. Der Dampfdruck, insbesondere ein realer Dampfdruck, ist, insbesondere während des Kalibrierverfahrens ab dem minimalen Messzeitpunkt, dem Sättigungsdampfdruck gleich, er kann also beispielsweise aus der erfassten Temperatur des Gasgemischs durch die oben und/oder hier dargestellte Antoine-Gleichung ermittelt werden:
Bei p_D,MMZP,ist kann es sich insbesondere um den ersten Sättigungsparameter handeln. Bei p_D,MMZP,mess kann es sich insbesondere um den zweiten Sättigungsparameter handeln. In dem Vergleich 162 des ersten Sättigungsparameters mit dem zweiten Sättigungsparameter kann beispielsweise ein Sensorfehler berechnet werden. Der Sensorfehler kann beispielsweise Δp_D = p_D,MMZP,ist – p_D,MMZP,mess betragen. Dieser
Sensorfehler, bevorzugt eine Abweichung, kann als Korrekturwert in einer Berechnungskette des Feuchtesensors 112 eingehen, beispielsweise als Offset. Vorzugsweise wird nicht der volle Korrekturwert zugeschlagen sondern vorher mit einem Korrekturfaktor, bevorzugt mit einem Korrekturfaktor < 1, typischerweise im Bereich von 0,5, multipliziert. Dies kann einer Erhöhung einer Robustheit des Kalibrierverfahrens, beispielsweise einer Adaption, gegenüber Fehlmessungen dienen.
In 4 ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kalibrierverfahrens, beispielsweise zumindest teilweise als Adaptionsalgorithmus ausgestaltet, als Flussdiagramm dargestellt. Das in 4 als Flussdiagramm dargestellte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kalibrierverfahrens beginnt insbesondere mit dem Shut-Down 156. Während des Shut-Downs 156 kann beispielsweise ein Normalbetriebsmodus, insbesondere zur Erfassung des Feuchteparameters, eingestellt und/oder inaktiviert werden und/oder die Vorrichtung 110 mit Luft gespült werden und/oder ein Heizen ausgesetzt werden und/oder eine Abkühlung einsetzen. Bei dem Shut-Down 156 kann es sich beispielsweise um einen ersten Schritt des Kalibrierverfahrens handeln.
In einem weiteren Schritt kann eine Berechnung einer Wartezeit 158, insbesondere als Differenz des minimalen Messzeitpunkts von dem Zeitpunkt des Shut-Downs t_MMZP – t_SD aus T_Amb und T_SD erfolgen, beispielsweise wie oben ausgeführt. In einem weiteren Schritt kann geprüft werden, beispielsweise in Form eines Algorithmus, ob der minimale Messzeitpunkt erreicht ist, insbesondere ob die Bedingung t – t_SD > t_MMZP erfüllt ist. Falls diese Bedingung nicht erfüllt ist (N), wird vorzugsweise gewartet, insbesondere bis die Bedingung erfüllt ist (Y). Bei Erfüllung (Y) der Bedingung wird die Ansteuerung 120, beispielsweise das Steuergerät, erweckt, insbesondere in einer Erweckung, wobei beispielsweise T und p_Dampf, bevorzugt T_TP,real und p_D,MMZP,mess, des Gasgemischs, insbesondere an der Feuchtemessstelle, bestimmt werden. Bei diesem Schritt kann es sich beispielsweise um die Bestimmung des ersten Sättigungsparameters und des zweiten Sättigungsparameters 160 handeln. In einem weiteren Schritt kann bevorzugt der Vergleich 162 durchgeführt werden. In dem Vergleich 162 kann beispielsweise eine Berechnung eines Fehlers des Feuchtesensors 112 durchgeführt werden, insbesondere aus dem ersten Sättigungsparameter und dem zweiten Sättigungsparameter, beispielsweise aus dem realen Dampfdruck p_D,MMZP,ist, beispielsweise berechnet aus t_TP,real, und einem gemessenen Dampfdruck p_D,MMZP,mess, wie beispielsweise in den letzten beiden Formeln dargestellt. In einem weiteren Schritt kann beispielsweise die Kalibrierung 164, beispielsweise als Adaption des Feuchtesensors 112, durchgeführt werden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kalibrierverfahrens nach 4 kann es sich insbesondere um einen Algorithmus zur Adaption des Feuchtesensors 112 nach dem Shut-Down 156 handeln.
Das erfindungsgemäße Kalibrierverfahren kann allgemein bei Feuchtemessungen, insbesondere bei Erfassungen mindestens eines Feuchteparameters, durchgeführt werden, bei welchen in bestimmten Betriebszuständen, beispielsweise auch nach einem Abschalten des Systems und/oder der Vorrichtung 110 und/oder des Feuchtesensors 112 und/oder des Sensorelements 114 und/oder des Drucksensors 116 und/oder des Temperatursensors 118, mit hoher Wahrscheinlichkeit von einer Kondensation, insbesondere in dem Gasgemisch, ausgegangen werden kann und bei welchen ebenfalls die Temperatur des Gasgemischs ermittelt werden kann.
In dem erfindungsgemäßen Kalibrierverfahren kann insbesondere die Berechnung des minimalen Messzeitpunktes, beispielsweise des Zeitpunktes einer Steuergerät(SG)-Erweckung durchgeführt werden. Weiterhin kann beispielsweise auch eine abgeschwächte Korrektur der Feuchtesensortoleranzen durchgeführt werden, insbesondere um eine Robustheit des Kalibrierverfahrens, umfassend beispielsweise ein Adaptionsverfahren, zu erhöhen.
Mit dem erfindungsgemäßen Messverfahren zur Erfassung mindestens eines Feuchteparameters eines Gasgemischs wird mindestens ein Feuchtesensor 112, insbesondere der Feuchtesensor 112 wie oben beschrieben, und mindestens eine Ansteuerung 120, ebenfalls wie oben beschrieben, verwendet. Der Feuchtesensor 112 kann beispielsweise mindestens ein Sensorelement 114, beispielsweise wie oben beschrieben, zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Gasgemisch aufweisen. Der Feuchtesensor 112 kann weiterhin mindestens einen Drucksensor 116, beispielsweise wie oben beschrieben, zur Erfassung eines Gesamtdrucks des Gasgemischs aufweisen. In mindestens einem Normalbetriebsmodus wird der Feuchteparameter des Gasgemischs bestimmt. Beispielsweise kann in dem Normalbetriebsmodus der Feuchteparameter des Gasgemischs mittels eines durch das Sensorelement 114 erfassten Anteils der Gaskomponente und eines durch den Drucksensor 116 erfassten Gesamtdrucks des Gasgemischs bestimmt werden, insbesondere bei Verwendung einer Lambdasonde als Sensorelement 114. In mindestens einem Kalibriermodus wird das Kalibrierverfahren, wie oben beschrieben, durchgeführt.
In dem Messverfahren kann weiterhin mindestens ein Temperatursensor 118, beispielsweise wie oben beschrieben, zur Erfassung einer Temperatur des Gasgemischs in dem Normalbetriebsmodus verwendet werden. Der Feuchteparameter kann unter Verwendung der Temperatur des Gasgemischs in dem Normalbetriebsmodus bestimmt werden. Der Kalibiermodus kann in dem Messverfahren wiederholt durchgeführt werden. Der Kalibriermodus kann in dem erfindungsgemäßen Messverfahren mindestens nach einem bestimmten zeitlichen Abstand, beispielsweise monatlich, wiederholt werden.
5 zeigt insbesondere ein exemplarisches Luftsystems 166 eines Brennstoffzellen-Systems, wobei das Brennstoffzellensystem ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 110 umfassen kann oder zumindest von einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 110 zumindest teilweise reguliert werden kann. Bei dem Luftsystem 166 des Brennstoffzellensystems kann es sich insbesondere um ein System, wie oben bereits erwähnt, handeln. Die Vorrichtung 110 kann von dem Luftsystem 166 umfasst sein, kann jedoch prinzipiell auch zumindest teilweise getrennt von dem Luftsystem 166 ausgestaltet sein. In dem Brennstoffzellen-System kann Sauerstoff einem Stack 180, typischerweise durch das Gasgemisch, insbesondere das Medium Luft, zugeführt werden. 5 zeigt insbesondere ein typisches Luftsystem 166 eines Brennstoffzellen-Systems. Die Luft 167 wird hierbei vor dem Eintritt in eine Kathode 168 des Stacks 180 mit mindestens einem Luftfilter 170 gefiltert. Danach kann ein Druck mit mindestens einer durch mindestens einen elektrischen Motor 172 angetriebenen Fluidenergiemaschine 174 erhöht werden. Mit mindestens einem Wärmetauscher 176 und mindestens einem Befeuchter 178 kann die Luft 167 abschließend auf Eintrittsbedingungen des Kathodeneintritts des Stacks 180 konditioniert werden. Mit mindestens einer Drosselklappe 182, insbesondere vor einem Austritt einer Abluft 169, kann ein Systemdruck unabhängig von einem Massenstrom eingestellt werden. Falls die Fluidenergiemaschine 174 als Turbomaschine, beispielsweise als Radialverdichter, ausgeführt ist, kann aus Gründen eines Komponentenschutzes, beispielsweise der Pumpen des Verdichters, mindestens ein Bypass 186 mit mindestens einer weiteren Drosselklappe 184 erforderlich sein. Mit dem Bypass 186 kann eine Befeuchtung am Eintritt der Kathode 168 geregelt werden.
In dem erfindungsgemäßen Messverfahren kann mit einem Feuchtesensor 112, beispielsweise umfassend mindestens ein Sensorelement 114, insbesondere eine Lambdasonde, und/oder mindestens einen Drucksensor 116 und/oder mindestens einen Temperatursensor 118 und/oder mindestens einen kombinierten Druck-/Temperatursensor, der absolute Dampfpartialdruck und/oder die relative Luftfeuchtigkeit, insbesondere mit der Ansteuerung 120, beispielsweise in einer Auswerteeinheit, bestimmt werden. Werden der Gesamtdruck des Gasgemischs, insbesondere ein Luftdruck, die Temperatur des Gasgemischs, insbesondere die Lufttemperatur, und der Anteil der Gaskomponente in dem Gasgemisch, insbesondere der Sauerstoffpartialdruck, beispielsweise direkt vor dem Brennstoffzellen-System, insbesondere der Brennstoffzelle, gemessen, so hat man beispielsweise eine Regelgröße für einen zuverlässigen Betrieb des Brennstoffzellen-Systems, insbesondere einer Brennstoffzelle, und kann beispielsweise den Feuchteparameter, beispielsweise die Feuchte, je nach Betriebsstrategie einregeln. Bei Verwendung alternativer Sensoren, insbesondere bei Verwendung von alternativen Sensoren zu der Lambdasonde zur Bestimmung des Feuchteparameters, beispielsweise eines absoluten Dampfdrucks und/oder der relativen Feuchtigkeit, kann eine Notwendigkeit zur Messung des Gesamtdrucks des Gasgemischs entfallen, welche beispielsweise bei Verwendung des Sensorelements 114 und/oder der Lambdasonde gegeben sein kann. Entsprechend kann beispielsweise bei einem Verbrennungsmotor, insbesondere als System, eine Sauerstoffmenge korrigiert werden. Der Feuchtesensor 112, beispielsweise umfassend das Sensorelement 114, insbesondere die Lambdasonde, kann dabei vorteilhafterweise vor der Kathode 168, insbesondere vor einer Brennstoffzellen-Kathode, oder bei Verbrennungsmotoren, beispielsweise als System, vor dem Luftfilter 170 angebracht sein. Die Erfassung des Gesamtdrucks des Gasgemischs, insbesondere eine Druckmessung, und die Erfassung der Temperatur des Gasgemischs, insbesondere eine Temperaturmessung, kann besonders bevorzugt vor der Kathode 168, insbesondere direkt vor der Brennstoffzelle, und/oder vor dem Luftfilter 170, beispielsweise als Filter ausgestaltet, eines Ansaugtraktes eines Verbrennungsmotors durchgeführt werden.
Einflüsse verschiedener Feuchteparameter auf ein Leistungsvermögen von Brennstoffzellen sind beispielsweise in Investigation of water transport through membrane in A PEM fuel cell by water balance experiments, Q. Yan et al, Journal of Power Sources 158 (2006) 316–325 beschrieben. In den 7A und 7B wird insbesondere gezeigt, dass in einem Brennstoffzellen-System, insbesondere in Brennstoffzellen, ein Feuchteparameter, insbesondere die Feuchte der Luft, einen entscheidenden Einfluss auf einen Wirkungsgrad und auf eine Performance des Stacks 180, wie beispielsweise in 5 gezeigt, haben kann. In den und 7B ist insbesondere ein Ohmscher Widerstand der Brennstoffzelle in Ohm/cm² über einer Stromdichte j, beispielsweise einen flächenspezifischen Widerstand, in mA / cm² für verschiedene Feuchteparameter, insbesondere Kathodenbefeuchtungen, aufgetragen. In den 7a und 7B stehen die Linien 188 jeweils für eine Kathodenfeuchtigkeit von 100%, die Linien 190 stehen für eine Kathodenfeuchtigkeit von 70%, die Linien 192 stehen für eine Kathodenfeuchtigkeit von 50% und die Linien 194 stehen für eine Kathodenfeuchtigkeit von 30%. In 7A beträgt eine Anodenfeuchtigkeit 80% und in 7B beträgt eine Anodenfeuchtigkeit 100%. Die Brennstoffzelle hat in 7A und 7B eine Temperatur von ungefähr 80°C und ein stöchiometrisches Verhältnis aus H₂ und Luft beträgt ungefähr 2/2. Bei einer unzureichenden Befeuchtung, beispielsweise einer Kathodenfeuchtigkeit Φ_Kathode = 30%, kann der Ohmsche Widerstand deutlich größer sein als bei höheren Kathodenfeuchten. Hohe Ohmsche Widerstände können beispielsweise zu geringen Wirkungsgraden und/oder einer schlechteren Performance und/oder einer hohen Wärmeentwicklung des Stacks 180 führen, welche gegebenenfalls zu einer Stack-Beschädigung führen können. Eine Bestimmung des Feuchteparameters durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 110 und das erfindungsgemäße Kalibrierverfahren und das erfindungsgemäße Messverfahren sind beispielsweise also vorteilhaft, um die Funktion eines Brennstoffzellen-Systems zu verbessern.
In ist der Feuchteparameter, insbesondere die relative Feuchte Φ, über einer Zeit als dimensionslose Größe aufgetragen. In Linie 196 ist insbesondere ein Messwert aus einer Feuchtemessung mittels eines konventionellen, nicht-automotiv-tauglichen Feuchtesensors Φ(TP_meas) aufgetragen. In Linie 198 ist ein Feuchteparameter, insbesondere die Feuchte Φ(λ-Sonde) gemessen und/oder berechnet mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 110, insbesondere mit der Lambdasonde, dargestellt. Die Linien 199 zeigen insbesondere ein mögliches Toleranzband des Feuchteparameters, insbesondere der Feuchte, bestimmt mittels des Sensorelements 114, wobei lediglich der Fehler ΔΦ(ΔI_meas) mit eingeht. Linie 199 in 8 zeigt also Φ + ΔΦ(ΔI_meas), wobei ΔI_meas ein Fehler eines Pumpstroms sein kann. In 8 werden bevorzugt lediglich Toleranzen des Sensorelements 114, insbesondere der Lambdasonde, berücksichtigt, beispielsweise keine Messfehler einer Erfassung der Temperatur und/oder einer Erfassung des Drucks. In 9A ist eine Toleranz der Feuchtemessung ε = | ∆Φ / Φ| in Abhängigkeit von der Zeit für die Messung aus 8 dargestellt. Insbesondere kann es sich um eine Funktion ε(ΔI_meas) handeln. Bei den in den 8 und 9A dargestellten Abhängigkeiten kann es sich insbesondere um eine Situation bei Δ = ±0K und Δ = ±0 mbar, bei einer beliebiger Temperatur und beliebigem Druck mit einem idealen, fehlerfreien Sensor gemessen, handeln. Werden zusätzlich zu der Toleranz der Lambdasonde die Toleranzen typischer automotivetauglicher Druck- und Temperatursensoren berücksichtigt, erhöhen sich die Toleranzen einer Feuchtemessung, beispielsweise an einem Kathodeneintritt, auf Bereiche von ungefähr ±10% bis ±20%, wie in den 9A, 9B, 9C, 9D und 9E dargestellt. Die 9A, 9B, 9C, 9D und 9E zeigen jeweils eine Toleranz der Feuchtemessung ε = | ∆Φ / Φ| in Abhängigkeit von der Zeit t, insbesondere jeweils Funktionen ε(ΔI_meas), für verschiedene, in den Figuren genannte, ΔT- und Δp-Werte. Die In den 9A, 9B, 9C, 9D und 9E dargestellten Toleranzen beziehen neben der Toleranz der Lambdasonde bevorzugt auch Toleranzen von Druckmessungen und Temperaturmessungen mit ein. Unter Berücksichtigung einer Toleranzkette kann, wobei eine Toleranz einer Temperaturbestimmung, eine Toleranz einer Druckbestimmung und die Toleranz des Sensorelements 114, insbesondere der Lambdasonde, mit eingehen, mit einer Feuchtemessung mit Lambdasonde beispielsweise eine Kathodenfeuchte auf 20 % genau bestimmt werden, insbesondere ohne Anwendung des erfindungsgemäßen Kalibrierverfahrens und/oder des erfindungsgemäßen Messverfahrens. Die Toleranz des Sensorelements 114, insbesondere der Lambdasonde, kann einen großen Anteil an der Gesamttoleranz an einer Feuchtemessung, insbesondere ohne Anwendung des erfindungsgemäßen Kalibrierverfahrens und/oder des erfindungsgemäßen Messverfahrens, haben. Die 8, 9A, 9B, 9C, 9D und 9E zeigen auf, dass die Toleranzen aus einer Toleranzkette eines Feuchtesensors 112 recht hoch sein können und sich daher deutlich durch das erfindungsgemäße Kalibrierverfahren und/oder das erfindungsgemäße Messverfahren verringern lassen, insbesondere durch zumindest teilweisen Abzug mindestens eines Teils der Abweichung ε.
6 zeigt für ein Ausführungsbeispiel des Kalibrierverfahrens und/oder des Messverfahrens, insbesondere für eine Feuchtemessung, in Kombination mit einem Luftmassenstromsensor, beispielsweise einem Heißfilmluftmassenmesser (HFM), eine Abhängigkeit eines Fehlers in der Bestimmung einer verfügbaren Sauerstoffmenge
in Prozent gegenüber der Umgebungstemperatur T_Amb in °C für verschiedene Feuchteparameter. Der Luftmassenstromsensor, beispielsweise der HFM, kann beispielsweise einen gesamten Massenstrom erfassen, wobei bevorzugt eine enthaltene Dampfmenge mitgemessen wird. Eine Abweichung zwischen trockener und feuchter Luftmenge kann beispielsweise einen Fehler in der Bestimmung der verfügbaren Sauerstoffmenge für die Reaktion je nach Umgebungsbedingung von bis zu 8%, wie in 6 dargestellt, verursachen. Diese Abweichung kann zu einer Verschlechterung einer Abgasqualität und/oder einer Leistung, beispielsweise bei Verbrennungsmotoren ohne Kondensation der Luftmenge, führen. In 6 zeigt Linie 202 insbesondere einen Verlauf für einen Feuchteparameter, insbesondere eine Feuchtigkeit, Φ_ein = 0,00, Linie 204 für Φ_ein = 0,25, Linie 206 für Φ_ein = 0,50, Linie 208 für Φ_ein = 0,75 und Linie 210 für Φ_ein = 1,00.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

FR 2930842 A1 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, erste Auflage 2010, Seiten 160–165 [0002]
http://de.wikipedia.org/wiki/Hygrometer [0016]
Q. Yan et al, Journal of Power Sources 158 (2006) 316–325 [0018]
Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, Seiten 160–165 [0024]
Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, Seiten 134–136 [0025]
Robert Bosch GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, 1. Auflage 2010, Seiten 102–111 [0025]
Q. Yan et al, Journal of Power Sources 158 (2006) 316–325 [0099]

Claims

Kalibrierverfahren zum Kalibrieren eines Feuchtesensors (112) zur Erfassung mindestens eines Feuchteparameters eines Gasgemischs, wobei bei dem Verfahren eine Temperatur des Gasgemischs erfasst wird, wobei aus der Temperatur des Gasgemischs auf mindestens einen ersten Sättigungsparameter geschlossen wird, wobei mindestens ein zweiter Sättigungsparameter erfasst wird, wobei mittels eines Vergleichs (162) des ersten Sättigungsparameters mit dem zweiten Sättigungsparameter der Feuchtesensor (112) kalibriert wird, wobei das Kalibrierverfahren von mindestens einer Ansteuerung (120) durchgeführt wird.
Kalibrierverfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Feuchtesensor (112) mindestens ein Sensorelement (114) zur Erfassung eines Anteils einer Gaskomponente in dem Gasgemisch umfasst, wobei der Feuchtesensor (112) weiterhin mindestens einen Drucksensor (116) zur Erfassung eines Gesamtdrucks des Gasgemischs umfasst.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der zweite Sättigungsparameter unter Verwendung des Sensorelements (114) und des Drucksensors (116) erfasst wird.
Kalibrierverfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Sättigungsparameter aus einem mittels des Drucksensors (116) erfassten Gesamtdruck des Gasgemischs und aus einem mittels des Sensorelements (114) erfassten Anteil der Gaskomponente in dem Gasgemisch bestimmt wird.
Kalibrierverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem Vergleich (162) eine Differenz zwischen dem zweiten Sättigungsparameter und dem ersten Sättigungsparameter bestimmt wird, wobei aus der Differenz mindestens eine Korrekturfunktion in Abhängigkeit von der Temperatur des Gasgemischs bestimmt wird.
Kalibrierverfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Korrekturfunktion mit mindestens einem Faktor multipliziert wird.
Kalibrierverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Erfassung der Temperatur des Gasgemischs mindestens ein Temperatursensor (118) verwendet wird.
Kalibrierverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Teil des Feuchtesensors (112) vor und/oder während des Kalibrierens von Luft durchströmt wird.
Kalibrierverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Sättigungsparameter und der zweite Sättigungsparameter in einer gesättigten Atmosphäre des Gasgemischs erfasst werden.
Kalibrierverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Sättigungsparameter und der zweite Sättigungsparameter ab einem minimalen Messzeitpunkt bestimmt werden, wobei zu dem minimalen Messzeitpunkt eine gesättigte Atmosphäre in dem Gasgemisch vorliegt.
Kalibrierverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei weiterhin mittels mindestens eines Umgebungstemperatursensors (146) mindestens eine Umgebungstemperatur einer Umgebung des Feuchtesensors (112) erfasst wird.
Kalibrierverfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei ein minimaler Messzeitpunkt unter Verwendung der Umgebungstemperatur bestimmt wird.
Messverfahren zur Erfassung mindestens eines Feuchteparameters eines Gasgemischs, wobei mindestens ein Feuchtesensor (112) und mindestens eine Ansteuerung (120) verwendet wird, wobei in mindestens einem Normalbetriebsmodus der Feuchteparameter des Gasgemischs bestimmt wird, wobei in mindestens einem Kalibriermodus das Kalibrierverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchgeführt wird.
Vorrichtung (110) zur Erfassung mindestens eines Feuchteparameters eines Gasgemischs, wobei die Vorrichtung (110) mindestens einen Feuchtesensor (112) umfasst, wobei die Vorrichtung (110) weiterhin mindestens einen Temperatursensor (118) zur Erfassung einer Temperatur des Gasgemischs umfasst, wobei die Vorrichtung (110) mindestens eine Ansteuerung (120) aufweist, wobei die Ansteuerung (120) eingerichtet ist, um ein Kalibrierverfahren nach einem der vorhergehenden, ein Kalibrierverfahren betreffenden Ansprüche, und/oder ein Messverfahren nach dem vorhergehenden Anspruch durchzuführen.