DE102014101138B4 - Verfahren für die Detektion von Kurzschlüssen in einem Brennstoffzellensystem - Google Patents

Verfahren für die Detektion von Kurzschlüssen in einem Brennstoffzellensystem Download PDF

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Abstract

Vorrichtung zum Detektieren eines Kurzschlussereignisses in einem Brennstoffzellensystem (205), wobei die Vorrichtung umfasst:einen ersten Sensor (250), der mit einer Leistungsausgabe einer Brennstoffzelle (15) elektrisch gekoppelt ist und ausgestaltet ist, um einen ersten Strom (300) zu erfassen;einen zweiten Sensor (255), der mit der Leistungsausgabe der Brennstoffzelle (15) elektrisch gekoppelt ist und ausgestaltet ist, um einen zweiten Strom (305) zu erfassen;einen dritten Sensor (260), der mit der Leistungsausgabe der Brennstoffzelle (15) elektrisch gekoppelt ist und ausgestaltet ist, um eine Spannung (310) zu erfassen;einen Controller (275), der mit dem ersten Sensor (250), dem zweiten Sensor (255) und dem dritten Sensor (260) elektrisch gekoppelt ist und ausgestaltet ist, um den ersten Strom (300), den zweiten Strom (305) und die Spannung (310) zu messen, und um einen Algorithmus in einem computerlesbaren Medium auszuführen, um ein Kurzschlussereignis anzuzeigen, wenn der erste Strom (300) einen ersten Schwellenwert (315) überquert und/oder der zweite Strom (305) einen zweiten Schwellenwert (320) überquert und/oder die Spannung (310) einen dritten Schwellenwert (325) überquert; undeinen abgestimmten Überstromintegrierer (410), der mit dem zweiten Sensor (255) elektrisch gekoppelt ist, welcher als Wechselstromsensor ausgestaltet ist, um einen Strom eines Hochfrequenzwiderstands (HFR) in der Brennstoffzelle (15) zu messen, wobei der zweite Sensor (255) und der abgestimmte Überstromintegrierer (410) mit dem Controller (275) zusammenarbeiten, um das Kurzschlussereignis anzuzeigen, wenn der Controller (275) das Kurzschlussereignis von dem abgestimmten Überstromintegrierer (410) erfasst.

Description

  • HINTERGRUND
  • Elektrochemische Umwandlungszellen, die allgemein als Brennstoffzellen bezeichnet werden, erzeugen elektrische Energie, indem sie Reaktanten verarbeiten, beispielsweise durch die Oxidation und Reduktion von Wasserstoff und Sauerstoff. Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Kraftstoff, weil er sauber ist und er verwendet werden kann, um Elektrizität in einer Brennstoffzelle auf effiziente Weise zu erzeugen. Die Kraftfahrzeugindustrie hat erhebliche Ressourcen für die Entwicklung von Wasserstoffbrennstoffzellen als Leistungsquelle für Fahrzeuge aufgewendet. Durch Wasserstoffbrennstoffzellen betriebene Fahrzeuge wären effizienter als aktuelle Fahrzeuge, die Brennkraftmaschinen verwenden, und erzeugen weniger Emissionen.
  • Bei vielen Brennstoffzellensystemen wird Wasserstoff oder ein wasserstoffreiches Gas durch einen Strömungspfad der Anodenseite einer Brennstoffzelle zugeführt, während Sauerstoff (etwa in der Form von atmosphärischem Sauerstoff) durch einen separaten Strömungspfad der Kathodenseite der Brennstoffzelle zugeführt wird. Typischerweise wird ein geeigneter Katalysator (z.B. Platin) angewendet, um an diesen jeweiligen Seiten eine Anode zur Ermöglichung der Wasserstoffoxidation und eine Kathode zur Ermöglichung der Sauerstoffreduktion auszubilden. Mit diesen wird elektrischer Strom mit Wasserdampf mit hoher Temperatur als Reaktionsnebenprodukt erzeugt. Bei einer Form der Brennstoffzelle, die Protonenaustauschmembran- oder Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (in beiden Fällen PEM-Brennstoffzelle) genannt wird, befindet sich ein Elektrolyt in der Form einer lonomer-Membran zwischen der Anode und der Kathode, um eine Membranelektrodenanordnung (MEA) auszubilden, welche außerdem zwischen Diffusionsschichten geschichtet ist, die ermöglichen, dass sowohl ein gasförmiger Reaktant zu der MEA strömt als auch elektrischer Strom aus ihr herausfließt. Die vorstehend erwähnte Katalysatorschicht kann auf oder als Teil der Diffusionsschicht oder der Membran angeordnet sein.
  • Um die elektrische Ausgabe zu erhöhen, werden einzelne Brennstoffzelleneinheiten gestapelt, wobei bipolare Platten zwischen der Diffusionsschicht und einer Anodenelektrode einer MEA und der Diffusionsschicht und einer Kathodenelektrode einer benachbarten MEA angeordnet werden. Die bipolaren Platten bestehen typischerweise aus einem elektrisch leitfähigen Material, um eine elektrische Strecke zwischen der MEA und einer externen elektrischen Schaltung auszubilden. Bei einer derartigen Stapelkonfiguration weisen die bipolaren Platten, die zueinander benachbart gestapelte MEAs trennen, zueinander entgegengesetzt orientierte Oberflächen auf, die jeweils Strömungskanäle enthalten, welche durch erhöhte Stege voneinander getrennt sind. Die Kanäle wirken als Leitung, um Wasserstoff- und Sauerstoff-Reaktantenströmungen an die jeweilige Anode und Kathode der MEA zu befördern, während die Stege aufgrund ihres Kontakts mit der elektrisch leitfähigen Diffusionsschicht, die wiederum in elektrischer Verbindung mit Strom steht, der an den Katalysatororten erzeugt wird, als Übertragungsstrecken für die Elektrizität wirken, die in der MEA erzeugt wird. Auf diese Weise wird Strom durch die bipolare Platte und die elektrisch leitfähige Diffusionsschicht geleitet.
  • Brennstoffzellen setzen einen Kraftstoff mit Hilfe einer chemischen Reaktion in nutzbare Elektrizität um. Ein signifikanter Vorteil für ein derartiges Energie erzeugendes Mittel besteht darin, dass dies erreicht wird, ohne auf eine Verbrennung als Zwischenschritt angewiesen zu sein. Daher weisen Brennstoffzellen mehrere Vorteile bezüglich der Umwelt gegenüber Brennkraftmaschinen (ICEs) und ähnliche Leistungserzeugungsquellen auf. Bei einer typischen Brennstoffzelle (etwa einer Protonenaustauschmembran- oder Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (in beiden Fällen PEM-Brennstoffzelle) wird ein Paar mit einem Katalysator versehener Elektroden durch ein Polysulfon-Medium oder ein ähnliches Medium (etwa Nation™) getrennt, so dass eine elektrochemische Reaktion stattfinden kann, wenn eine ionisierte Form eines Reduktionsagens (etwa Wasserstoff, H2), die durch eine der Elektroden (die Anode) eingeleitet wird, das ionendurchlässige Medium durchquert und mit einer ionisierten Form eines Oxidationsagens (etwa Sauerstoff, O2), die durch die andere Elektrode (die Kathode) eingeleitet wurde, kombiniert. Bei der Kombination an der Kathode bilden der ionisierte Wasserstoff und Sauerstoff Wasser. Die Elektronen, die bei der Ionisierung des Wasserstoffs freigesetzt wurden, wandern in der Form von Gleichstrom (DC) über eine externe Schaltung, welche typischerweise eine Last enthält, zu der Kathode. Der Fluss dieser Gleichstromenergie ist die Grundlage für die Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle.
  • Brennstoffzellen und zugehörige elektrische Systeme müssen vor Kurzschlüssen geschützt werden, um zu verhindern, dass Komponenten und Verdrahtung überhitzen und beschädigt werden. Für gewöhnlich wird dies durch die Verwendung von Sicherungen und/oder Schaltungsunterbrecher oder andere Schutzvorrichtungen wie etwa einen Überstromschutz bzw. Fehlerstromschutzschalter erreicht. Die einzigartigen Kurzschlusskennlinien eines Brennstoffzellenstapels verhindern, dass passive Überstromschutzvorrichtungen wie etwa Sicherungen und/oder Schaltungsunterbrecher effektive Lösungen darstellen. Daher sind aktive Techniken notwendig, bei denen ein Kurzschluss durch das Steuerungssystem detektiert und beseitigt wird, indem das Öffnen einer Schaltvorrichtung befohlen wird. Es ist wünschenswert, über mehrere Verfahren zum Detektieren von Kurzschlussereignissen zu verfügen, so dass das Versagen eines beliebigen einzelnen Verfahrens nicht zu einem Versagen des Überstromschutzsystems führt.
  • Die Druckschrift DE 199 50 008 A1 offenbart ein Verfahren und eine Anordnung zum Steuern des Schaltzustandes einer Schaltverbindung zwischen den elektrischen Ausgängen einer in einer mobilen Vorrichtung angeordneten Brennstoffzelle und einem in der mobilen Vorrichtung angeordneten isolierten elektrischen Netz, durch welche ein Laststrom der Brennstoffzelle, ein Aufprall der mobilen Vorrichtung, ein Isolationswiderstand des isolierten elektrischen Netzes sowie eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle überwacht werden.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Bei einer Ausführungsform kann eine Vorrichtung zum Detektieren eines Kurzschlüssereignisses in einem Brennstoffzellensystem einen ersten Sensor, der mit einer Leistungsausgabe einer Brennstoffzelle elektrisch gekoppelt ist und ausgestaltet ist, um einen ersten Strom zu erfassen; einen zweiten Sensor, der mit der Leistungsausgabe der Brennstoffzelle elektrisch gekoppelt ist und ausgestaltet ist, um einen zweiten Strom zu erfassen; und einen dritten Sensor, der mit der Leistungsausgabe der Brennstoffzelle elektrisch gekoppelt ist, und ausgestaltet ist, um eine Spannung zu erfassen, enthalten. Die Vorrichtung kann außerdem einen Controller enthalten, der mit dem ersten Sensor, dem zweiten Sensor und dem dritten Sensor elektrisch gekoppelt ist und ausgestaltet ist, um den ersten Strom, den zweiten Strom und die Spannung zu messen und um einen Algorithmus in einem computerlesbaren Medium auszuführen, um ein Kurzschlussereignis anzuzeigen, wenn der erste Strom einen ersten Schwellenwert überquert und/oder der zweite Strom einen zweiten Schwellenwert überquert und/oder die Spannung einen dritten Schwellenwert überquert. Das Brennstoffzellensystem benötigt keinen dedizierten Kurzschlussereignissensor.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform kann ein Verfahren zum Bestimmen eines Kurzschlussereignisses in einem Brennstoffzellensystem umfassen, dass ein erster Strom unter Verwendung eines ersten Sensors, der mit einer Leistungsausgabe einer Brennstoffzelle elektrisch gekoppelt ist, erfasst wird; dass ein zweiter Strom unter Verwendung eines zweiten Sensors, der mit der Leistungsausgabe der Brennstoffzelle elektrisch gekoppelt ist, erfasst wird; und dass eine Spannung unter Verwendung eines dritten Sensors, der mit der Leistungsausgabe der Brennstoffzelle elektrisch gekoppelt ist, erfasst wird. Das Verfahren umfasst ferner das Messen des ersten Stroms, des zweiten Stroms und der Spannung unter Verwendung eines Controllers, der mit dem ersten Sensor, dem zweiten Sensor und dem dritten Sensor elektrisch gekoppelt ist, und das Ausführen eines Algorithmus in einem computerlesbaren Medium, um ein Kurzschlussereignis anzuzeigen, wenn der erste Strom einen ersten Schwellenwert überquert und/oder der zweite Strom einen zweiten Schwellenwert überquert und/oder die Spannung einen dritten Schwellenwert überquert.
  • Diese und zusätzliche Merkmale, die von den hier beschriebenen Ausführungsformen bereitgestellt werden, werden im Hinblick auf die folgende genaue Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen vollständiger verstanden werden.
  • Figurenliste
  • Die in den Zeichnungen offengelegten Ausführungsformen sind veranschaulichender und beispielhafter Natur und sollen den Gegenstand, der durch die Ansprüche definiert wird, nicht einschränken. Die folgende genaue Beschreibung der veranschaulichten Ausführungsformen wird besser verstanden, wenn sie in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen gelesen wird, bei denen gleiche Strukturen durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet sind, und in denen:
    • 1 ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellenstapel gemäß einer oder mehreren hier gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen darstellt;
    • 2 eine einfache elektrische Schaltung des Brennstoffzellensystems von 1 in Übereinstimmung mit einer oder mehreren hier gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen darstellt;
    • 3 einen Algorithmus, der von einem Controller verwendet wird, in Übereinstimmung mit einer oder mehreren hier gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen veranschaulicht;
    • 4 einen zweiten Sensor, der verwendet wird, um einen Hochfrequenzwiderstand zu detektieren, in Übereinstimmung mit einer oder mehreren hier gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen veranschaulicht;
    • 5 einen Modusmanager in Übereinstimmung mit einer oder mehreren hier gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen veranschaulicht;
    • 6 ein Kurzschlussereignis in Übereinstimmung mit einer oder mehreren hier gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen graphisch darstellt; und
    • 7 ein Detektionsverfahren unter Verwendung eines Maskierungsalgorithmusereignisses in Übereinstimmung mit einer oder mehreren hier gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen veranschaulicht.
  • GENAUE BESCHREIBUNG
  • Das Verfahren und die Vorrichtung, die hier offenbart werden, umfassen das Überwachen der Ausgabe von mehreren existierenden Sensoren eines Brennstoffzellensystems eines Fahrzeugs, um zu erfassen, ob ihre Ausgaben das Kurzschlussereignis anzeigen. Wenn ein Kurzschlussereignis angezeigt wird, kann das On-Bord-Computermodul (OCM) den Benutzer benachrichtigen und eine Gegenmaßnahme ergreifen, um eine Beschädigung des Fahrzeugs zu begrenzen. Verschiedene Ausführungsformen der Vorrichtung und die Arbeitsweise der Vorrichtung werden hier in größerem Detail beschrieben.
  • Mit Bezug auf 1 ist ein Fahrzeug 10 gezeigt (z.B. ein Auto, ein Bus, ein Lastwagen oder ein Motorrad), das durch das Brennstoffzellensystem 205 (2) mit Leistung versorgt werden kann. Einige Komponenten des Brennstoffzellensystems 205 können zahlreiche Brennstoffzellen 15 (die vorzugsweise in einem oder mehreren Stapeln 20 angeordnet sind) enthalten, die gespeicherten gasförmigen Kraftstoff aus einem Tank 30 in Elektrizität umsetzen, um elektrische Leistung für eine Last 235 (2) bereitzustellen, die einen (nicht gezeigten) Motor und/oder eine (nicht gezeigte) Kraftmaschine und/oder andere elektrische Fahrzeugsysteme umfassen kann. Die Kraftmaschine kann eine vollständig elektrische oder eine hybridelektrische Kraftmaschine sein (beispielsweise eine Kraftmaschine, die sowohl Elektrizität als auch erdölbasierte Verbrennung für Antriebsleistung verwendet). Die Last 235 kann ein (nicht gezeigtes) Antriebssystem enthalten, um die Leistung von dem Brennstoffzellensystem zum Antreiben des Fahrzeugs 10 zu nutzen. Das Brennstoffzellensystem 205 kann außerdem eine beliebige Anzahl von Ventilen, Verdichtern, Rohren, Temperaturreglern, elektrischen Speichervorrichtungen (z.B. Batterien, Ultrakondensatoren oder dergleichen) und Controllern enthalten, um den Kraftstoff aus dem oder den Tanks 30 an das Brennstoffzellensystem 205 zu liefern, sowie um eine Steuerung der Arbeitsweise des Brennstoffzellensystems 205 bereitzustellen. Diese Controller werden nachstehend in größerem Detail erörtert.
  • In dem Brennstoffzellensystem 205 kann eine beliebige Anzahl von verschiedenen Arten aus einer oder mehreren Brennstoffzellen 15 verwendet werden (z.B. Metallhybrid-Brennstoffzellen, alkaline Brennstoffzellen, elektrogalvanische Brennstoffzellen oder ein beliebiger anderer bekannter Brennstoffzellentyp). Eine oder mehrere Brennstoffzellen 15 können außerdem in Reihe und/oder parallel in dem Stapel 20 innerhalb des Brennstoffzellensystems 205 kombiniert sein, um durch das Brennstoffzellensystem 205 eine höhere Spannungs- und/oder Stromausbeute zu erzeugen. Die erzeugte elektrische Leistung gegen direkt an einen (nicht gezeigten) Motor geliefert werden oder in einer (nicht gezeigten) elektrischen Speichervorrichtung zur späteren Verwendung durch das Fahrzeug 10 gespeichert werden.
  • 2 veranschaulicht eine einfache elektrische Schaltung des Brennstoffzellensystems 205. Der Stapel 20 liefert elektrische Energie oder Leistung für die Last 235 des Fahrzeugs 10 (1). Die Last 235 kann aus einem oder mehreren (nicht gezeigten) elektrischen Systemen des Fahrzeugs 10 bestehen, die den Antriebsmotor, Antriebssystem-Hilfsvorrichtungen wie etwa Pumpen, Navigationssysteme, Messinstrumente, Beleuchtung und Signalgebung umfassen. Ein Controller 275 kann einen oder mehrere Sensoren verwenden, um den Status des Brennstoffzellensystems 205 zu überwachen. Die Sensoren können einen oder mehrere Stromsensoren 240 und/oder einen oder mehrere Spannungssensoren 245 umfassen. Die Stromsensoren 240 können einen oder mehrere Halleffekt-Sensoren und/oder einen oder mehrere Induktionssensoren und Kombinationen daraus umfassen. Bei einigen Ausführungsformen sind ein erster Sensor 250, ein zweiter Sensor 255 und ein dritter Sensor 260 mit einer Leistungsausgabe des Stapels 20 elektrisch gekoppelt. Die Leistungsausgabe ist die Energie oder Leistung, die von dem Stapel 20 zwischen einer Anode 265 und einer Kathode 270 des Stapels 20 an eine Last 235 geliefert wird. Die Leistungsausgabe manifestiert sich als eine Spannung des Stapels 20 und ein Strom des Stapels 20. Der erste Sensor 250 kann ein Gleichstromsensor (DC-Sensor) oder bevorzugt ein Halleffekt-Sensor sein, der mit der Leistungsausgabe des Stapels 20 elektrisch gekoppelt ist und ausgestaltet ist, um einen ersten Strom 300 (3) zu erfassen. Der zweite Sensor 255 kann ein Wechselstromsensor (AC-Sensor) oder bevorzugt ein Induktionssensor sein, der mit der Leistungsausgabe des Stapels 20 elektrisch gekoppelt ist und ausgestaltet ist, um einen zweiten Strom 305 (3) zu erfassen. Der dritte Sensor 260 kann ein Spannungssensor sein, der mit der Leistungsausgabe des Stapels 20 elektrisch gekoppelt ist und ausgestaltet ist, um eine Spannung 310 (3) zu erfassen. Der Controller 275 kann mit dem ersten Sensor 250, dem zweiten Sensor 255 und/oder dem dritten Sensor 260 elektrisch gekoppelt sein.
  • Bei einigen Ausführungsformen können der erste Strom 300 und der zweite Strom 305 der gleiche Strom sein und in der Größe dem Strom des Stapels 20 gleichen.
  • Bei einigen Ausführungsformen können der erste Sensor 250, der zweite Sensor 255 und der dritte Sensor 260 für andere Erfassungsfunktionen innerhalb des Brennstoffzellensystems 205 verwendet werden. Die drei Sensoren können von dem Controller 275 überwacht werden, um ein Kurzschlussereignis zu detektieren, aber dies ist nicht der primäre Zweck der drei Sensoren. Beispielsweise kann der erste Sensor 250 verwendet werden, um die Leistungsausgabe des Stapels 20 zu überwachen. Der zweite Sensor 255 kann verwendet werden, um einen Hochfrequenzwiderstand (HFR) des Stapels 20 zu überwachen und der dritte Sensor 260 kann verwendet werden, um die Spannungsausgabe des Stapels 20 zu überwachen. Es gibt keinen Bedarf für einen dedizierten Kurzschlussereignissensor, da der erste Sensor 250, der zweite Sensor 255 und der dritte Sensor 260 sowohl für einen primären Zweck (Stapelüberwachung) als auch für einen sekundären Zweck (Kurzschlussereignisüberwachung) zweifach verwendet werden. Folglich werden zusätzliche Kosten und Komplexität, die mit redundanter Erfassungshardware verbunden sind, vermieden.
  • Die Verwendung mehrerer Sensoren ermöglicht, dass das Brennstoffzellensystem 205 beim Detektieren eines Kurzschlussereignisses über Redundanz verfügt. Wenn ein Sensor ausfallen sollte, kann immer noch einer oder können immer noch mehrere andere Sensoren funktionsfähig bleiben, um ein Kurzschlussereignis zu detektieren. Jeder Sensor überwacht einen anderen Aspekt des Brennstoffzellensystems 205. Daher kann ein Kurzschlussereignis in Abhängigkeit davon, wo das Kurzschlussereignis im Brennstoffzellensystem 205 auftritt, möglicherweise nicht alle Sensoren deaktivieren.
  • 3 veranschaulicht einen Algorithmus, der von dem Controller 275 von 2 verwendet wird. Der Controller 275 kann den Algorithmus enthalten, der in oder auf einem computerlesbaren Medium oder Speicher codiert ist. Der Controller 275 kann den Algorithmus ausführen, um ein Kurzschlussereignis entweder einem (nicht gezeigten) Benutzer des Fahrzeugs 10 oder dem (nicht gezeigten) OCM oder beiden anzuzeigen (IND) 350. Der Controller 275 kann den Algorithmus außerdem verwenden, um zu bestimmen, wann eine Gegenmaßnahme (RA) 355 ergriffen werden soll. Das Kurzschlussereignis ist eine Bedingung des Brennstoffzellensystems 205 von 2, bei der der Strom aus dem Stapel 20 die Entwurfsparameter des Brennstoffzellensystems 205 überschreitet und/oder alternativ die Spannung des Stapels 20 unter Entwurfsparameter abfällt. Das Kurzschlussereignis kann eine Beschädigung des Brennstoffzellensystems 205 verursachen, wenn keine Gegenmaßnahmen ergriffen werden, um das Kurzschlussereignis zu beseitigen und/oder zu stoppen. Zur Beseitigung eines Kurzschlussereignisses muss entweder die elektrische Schaltung, die den Kurzschluss enthält, getrennt oder unterbrochen werden, oder die Erzeugung von Elektrizität muss stoppen. Gegenmaßnahmen können diese zwei Wege zum Beseitigen eines Kurzschlusses durch zahlreiche Verfahren und Vorrichtungen, die auf dem technischen Gebiet bekannt sind, ansprechen. Einige Beispiele für Gegenmaßnahmen können umfassen: das Öffnen von Schützen, welche den Stapel 20 vom Brennstoffzellensystem 205 trennen, und/oder das Unterbrechen des Strömens der Reaktanten Wasserstoff und Luft zu dem Brennstoffzellensystem 205.
  • Bei einigen Ausführungsformen kann der Controller 275 ausgestaltet sein, um den erfassten ersten Strom (i1) 300 zu messen und einen ersten Wert 330 zu bestimmen; um den erfassten zweiten Strom (i2) 305 zu messen und einen zweiten Wert 335 zu bestimmen; und um die erfasste Spannung (v) 310 zu messen und einen dritten Wert 343 zu bestimmen. Der Algorithmus kann einen Vergleichsalgorithmus 345 ablaufen lassen, um festzustellen, ob der erste Wert 330, der zweite Wert 335 und/oder der dritte Wert 343 möglicherweise von normalen Betriebsbedingungen abweichen. Bei einigen Ausführungsformen kann der Vergleichsalgorithmus 345 den ersten Wert 330 mit einem ersten Schwellenwert 315 vergleichen und das Kurzschlussereignis anzeigen 350, wenn der erste Wert 330 den ersten Schwellenwert (TH1) 315 überquert. Außerdem kann der Vergleichsalgorithmus 345 den zweiten Wert 335 mit einem zweiten Schwellenwert (TH2) 320 vergleichen und das Kurzschlussereignis anzeigen 350, wenn der zweite Wert 335 den zweiten Schwellenwert 320 überquert, und der Vergleichsalgorithmus 345 kann den dritten Wert 343 mit einem dritten Schwellenwert (TH3) 325 vergleichen und das Kurzschlussereignis anzeigen 350, wenn der dritte Wert 343 den dritten Schwellenwert 325 überschreitet. Zusätzlich zu dem Anzeigen 350 des Kurzschlussereignisses kann der Vergleichsalgorithmus 345 signalisieren, dass von dem OCM eine Gegenmaßnahme 355 ergriffen werden soll. Ein Schwellenwert wird überquert, wenn der Wert, der mit dem Schwellenwert verglichen wird, entweder gleich dem Schwellenwert ist oder den Schwellenwert überschreitet oder alternativ unter den Schwellenwert fällt.
  • Mit Bezug auf 3 und 4 kann der zweite Sensor 255 bei einer Ausführungsform mit der Leistungsausgabe der Brennstoffzelle 15 elektrisch gekoppelt sein, und zum Detektieren des Hochfrequenzwiderstands HFR verwendet werden. Der zweite Sensor 255 kann ein existierender Induktionssensor oder bevorzugt eine Rogowskispule sein. Ein Paar Integriererschaltungen 400 kann verwendet werden, um die mathematische Operation der Integration des zweiten erfassten Stroms 305 über die Zeit auszuführen. Ein HFR-Stromintegrierer (HFR-CI) 405 kann verwendet werden, um eine Wellenform des erfassten zweiten Stroms 305 über die Zeit zur Verwendung bei einer HFR-Berechnung (HFR) 415 für das Brennstoffzellensystem 205 in 2 bereitzustellen. Der HFR-Stromintegrierer 405 kann zur Verwendung bei der HFR-Berechnung 415 eine hohe Verstärkung verwenden. Ein abgestimmter Überstromintegrierer (OC-Integrierer) (T-OC) 410 kann verwendet werden, um die gleiche Integration des erfassten zweiten Stroms 305 unter Verwendung einer niedrigen Verstärkung durchzuführen. Die Verwendung der niedrigen Verstärkung kann einen erhöhten Abstand zwischen der Erfassung des Kurzschlussereignisses und der erwarteten HFR-Stromwelligkeit an der Leistungsausgabe des Stapels 20 bereitstellen.
  • Die HFR-Stromwelligkeit kann von dem Kurzschlussereignis durch die Verwendung von Sensoren und elektrischen Kennlinien der HFR-Stromwelligkeit gegenüber dem Kurzschlussereignis unterschieden werden. Beispielsweise unterscheiden zwei Kennlinien das Kurzschlussereignis von der HFR-Stromwelligkeit. Die erste ist die Wellenform. Die HFR-Welligkeit ist eine sinusförmige Wellenform und die Wellenform des Kurzschlussereignisses ist eine exponentielle Wellenform. Das zweite ist die Größe der Amplitude. Das Kurzschlussereignis kann eine Größe aufweisen, die etwa vierzig Mal so groß wie die Größe der HFR-Stromwelligkeit ist. Die Integrierer (der HFR-Stromintegrierer 405 und der abgestimmte OC-Integrierer 410) sind wesentlich für die Unterscheidung des Kurzschlussereignisses von der HFR-Stromwelligkeit. Das Abstimmen der Integrierer bezeichnet die Justierung der Integriererverstärkungen, um die ursprünglichen Wellenformen des Stroms, mit dem sie elektrisch gekoppelt sind, wiederzugewinnen. Der HFR-Stromintegrierer 405 ist unter Verwendung einer hohen Verstärkung optimiert, um die HFR-Stromwelligkeit wiederzugewinnen. Der HFR-Stromintegrierer 405 kann in die Sättigung laufen, wenn er mit einem Kurzschlussereignis konfrontiert wird. Folglich kann ein Integrierer mit niedrigerer Verstärkung optimal sein, um ein Kurzschlussereignis zu detektieren und damit zu verriegeln. Der Controller 275 kann feststellen, ob die Ausgabe des abgestimmten OC-Integrierers 410 (der zweite Wert 335 in 3) den zweiten Schwellenwert 320 überquert, um ein Kurzschlussereignis anzuzeigen. Eine zweite Verriegelung 420 kann verwendet werden, um den zweiten Wert 335 festzuhalten, der von dem zweiten Sensor 255 erfasst wird.
  • Wieder mit Bezug auf 3 kann der Controller 275 fordern, dass zwei oder mehr der Schwellenwerte (der erste Schwellenwert 315, der zweite Schwellenwert 320 und/oder der dritte Schwellenwert 325) überquert werden müssen, bevor der Kurzschluss angezeigt 350 wird und/oder signalisiert wird, dass eine Gegenmaßnahme 355 ergriffen werden soll. Der Vergleichsalgorithmus 345 kann erfassen, wann der erste Wert 330, der zweite Wert 335 und/oder der dritte Wert 343 vorliegen und das Kurzschlussereignis anzeigen 350 und/oder signalisieren, dass die Gegenmaßnahme 355 von dem OCM ergriffen werden soll, wenn zwei oder mehr Werte vorhanden sind. Alternativ können eine erste Verriegelung (I1) 340 und die zweite Verriegelung (I2) 420 verwendet werden, um die Anzeige des ersten Werts 330 und des zweiten Werts 335 bis zum Zurücksetzen aufrecht zu erhalten. Die erste Verriegelung 340 und die zweite Verriegelung 420 sind von Vorteil beim Sicherstellen der Anzeige 350 und/oder des Signals der Gegenmaßnahme 355, wenn ein Hochstromereignis mit kurzer Zeitdauer auftreten kann oder wenn ein Niederspannungsereignis mit kurzer Zeitdauer auftreten kann. Die erste Verriegelung 340 hält den ersten Wert 330 fest, wenn der erste Wert 330 den ersten Schwellenwert überquert, und die zweite Verriegelung 420 hält den zweiten Wert 335 fest, wenn der zweite Wert 335 den zweiten Schwellenwert überquert. Ein Hochstromereignis mit kurzer Zeitdauer kann auftreten, wenn ein zeitweise auftretendes Kurzschlussereignis vorhanden ist oder spezieller zum Erfassen der Spitze 610 (6) des Kurzschlussereignisses über eine sehr kurze Zeitdauer. Das Niederspannungsereignis mit kurzer Zeitdauer korreliert durch das ohmsche Gesetz mit dem Hochstromereignis mit kurzer Zeitdauer, so dass sich das Kurzschlussereignis auch als ein Niederspannungswert wie nachstehend beschrieben manifestieren wird. Die erste Verriegelung 340 und die zweite Verriegelung 420 können zurückgesetzt werden, wenn das Fahrzeug 10 ausgeschaltet wird, wenn von dem (nicht gezeigten) OCM ein Rücksetzbefehl gegeben wird, oder nachdem eine Zeitdauer vergangen ist. Die erste Verriegelung 340 und die zweite Verriegelung 420 können jeweils eine separate Schaltung, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) oder eine Softwareimplementierung im computerlesbaren Medium des Controllers 275 oder ein Algorithmus sein.
  • 5 veranschaulicht, wie ein Modusmanager (MM) 360 verwendet werden kann, um festzustellen, ob der niedrige Spannungswert des Brennstoffzellensystems 205 eine Folge eines Kurzschlussereignisses oder des Normalbetriebs des Fahrzeugs 10 ist. Der Modusmanager 360 kann verwendet werden, um zu ermöglichen, dass der dritte Wert 343 zur Verwendung durch den Vergleichsalgorithmus 345 vorhanden ist, wie vorstehend für 3 beschrieben wurde. Der Modusmanager 360 kann Teil des Controllers 275 sein und mit einem (nicht gezeigten) Modusmanager des Brennstoffzellenstapels (FCS) elektrisch gekoppelt sein. Der Modusmanager 360 kann den speziellen Modus vom Modusmanager des Brennstoffzellenstapels (FCS-Modusmanager), der mit dem (nicht gezeigten) OCM gekoppelt sein kann, empfangen. Der Modusmanager 360 ermöglicht, dass der dritte Wert 343 nur dann vorhanden ist, wenn das Fahrzeug 10 von 1 gerade in einem Fahrmodus betrieben wird. Der Modusmanager wird das Vorhandensein des dritten Werts 343 deaktivieren, wenn sich das Fahrzeug 10 in einem Nicht-Fahrmodus befindet, beispielsweise beim anfänglichen Starten des Systems, bei einem normalen Herunterfahren des Systems und/oder bei einem Bereitschaftsmodus. Der Bereitschaftsmodus kann beispielsweise verwendet werden, wenn das Fahrzeug 10 während normaler Fahrbedingungen gestoppt wird, z.B. an einer Ampel gestoppt wird. Ein niedriger Spannungswert des Stapels 20 kann ein Kurzschlussereignis anzeigen oder er kann die Folge des Leistungsverbrauchs der Last 235 des Brennstoffzellensystems 205 in 2 in Abhängigkeit davon sein, in welchem Modus das Fahrzeug 10 gerade betrieben wird. Mit anderen Worten wird, wenn der Strom des Stapels 20 aufgrund entweder eines Kurzschlussereignisses oder der Verwendung durch die Last 235 an Größe zunimmt, die Spannung in Übereinstimmung mit dem ohmschen Gesetz proportional abfallen. Ein großer Abfall und/oder ein schneller Abfall bei der Spannung des Stapels 20 kann ein weiterer Hinweis auf ein Kurzschlussereignis sein, aber der Spannungsabfall kann nicht der einzige Hinweis auf das Kurzschlussereignis sein. Beispielsweise kann sich das Fahrzeug 10 in einem Fahrmodus befinden, bei dem die Spannung von dem Stapel 20 aufgrund der Verwendung durch ein Antriebssystem niedriger als normal sein kann, aber die niedrigere Spannung zeigt kein Kurzschlussereignis an. Der Modusmanager 360 wird dem Controller 275 signaltechnisch übermitteln, dass sich das Fahrzeug 10 in einem Antriebsmodus befindet und dass ein niedriger Spannungswert, der von dem dritten Sensor 260 erfasst wird, zu erwarten ist.
  • Mit Bezug auf 5 im Detail besteht der erste Schritt 505 darin, festzustellen, ob der Stapel 20 fehlerhaft ist (F). Wenn der Stapel 20 fehlerhaft ist, kann der Controller 275 eine Fehlerspannung (VF) 510 für die Spannung des Stapels 20 für den nächsten Schritt verwenden. Wenn der Stapel 20 nicht fehlerhaft ist, kann der Controller 275 eine existierende Spannung für die Spannung des Stapels 20 für den nächsten Schritt verwenden. Der nächste Schritt 515 besteht darin, festzustellen, ob die Spannung (V) des Stapels 20 unter etwa 50 Volt liegt. Wenn die Spannung des Stapels 20 nicht unter etwa 50 V liegt, wird der Controller 275 neu starten, um zu erfassen, ob der Stapel 20 fehlerhaft ist. Wenn die Spannung des Stapels 20 unter etwa 50 Volt liegt, kann der Modusmanager 360 des Controllers 275 mit dem FCS-Modusmanager durch Kommunikationsprotokolle, die im Kraftfahrzeugbereich verfügbar sind, kommunizieren, um zu lesen, in welchem Modus (M) 520 das Fahrzeug 10 gegenwärtig betrieben wird. Wenn sich das Fahrzeug 10 wie vorstehend beschrieben in einem speziellen Modus befindet, kann der Controller 275 neu starten, um zu erfassen, ob der Stapel 20 fehlerhaft ist. Wenn das Fahrzeug 10 gegenwärtig nicht in einem speziellen Modus betrieben wird, wird der Controller 275 ein Kurzschlussereignis wie vorstehend beschrieben anzeigen 350. Zusätzlich zum Anzeigen (IND) 350 des Kurzschlussereignisses kann der Controller 275 signalisieren, dass eine Gegenmaßnahme (RA) 355 von dem OCM ergriffen werden soll.
  • 6 zeigt auf graphische Weise das Kurzschlussereignis (Dreieck) gegenüber einer schnellen Entladung (Kreis) durch eine Last mit 10 Ohm des Brennstoffzellensystems 205 von 2. Das Kurzschlussereignis (Dreieck) ist ein Ereignis mit extremer Größe über eine sehr kurze Zeitdauer. Im Vergleich dazu ist das schnelle Entladen (Kreis) ebenfalls ein Ereignis mit großer Größe, aber über eine längere Zeitdauer mit einer Spannungswelligkeit, die nach etwa 50 Millisekunden gezeigt ist. Das Kurzschlussereignis (Dreieck) übertrifft das schnelle Entladen (Kreis) um mindestens vier Größenordnungen, wie durch die Spitze 610 des Kurzschlussereignisses gezeigt ist und zeigt, dass es die Entwurfsparameter des Brennstoffzellensystems 205 überschreitet. Es kann sein, dass der Controller 275 von 2 ein Verfahren benötigt, um zwischen dem Kurzschlussereignis und einem schnellen Entladen des Brennstoffzellensystems 205 zu unterscheiden. Ein Weg, um dies zu erreichen, kann durch einen Maskierungsalgorithmus im computerlesbaren Medium durchgeführt werden, der von dem Controller 275 ausgeführt wird, wobei das Kurzschlussereignis (Dreieck) aufgrund des Unterschieds von vier Größenordnungen in der Anfangsspitze unterschieden wird, wie nachstehend beschrieben wird. Der Maskierungsalgorithmus verwendet eine vorbestimmte Spannung und eine vorbestimmte Änderungsrate, um ein Kurzschlussereignis von dem schnellen Entladen des Brennstoffzellensystems 205 zu unterscheiden.
  • 7 veranschaulicht ein Detektionsverfahren unter Verwendung des Maskierungsalgorithmus, um zwischen dem Kurzschlussereignis (Dreieck) und einem schnellen Entladen des Stapels (Kreis) wie in 6 gezeigt ist, zu unterscheiden. Zuerst erfasst der Controller 275 von 2 bei 705, ob die Änderung der Spannung (V) des Stapels 20 größer als die vorbestimmte Spannung (Vp) ist. Wenn bei 705 die Änderung der Spannung nicht größer als die vorbestimmte Spannung ist, startet der Controller 275 neu, um die Spannung des Stapels 20 zu erfassen. Wenn die Änderung der Spannung bei 705 größer als die vorbestimmte Spannung ist, vergleicht der Controller 275 bei 710 die Änderungsrate (RoC) der Spannung des Stapels 20 mit der Zeitdauer, um festzustellen, ob sie niedriger als die vorbestimmte Änderungsrate (RoCp) ist. Wenn bei 710 die Änderungsrate der Spannung des Stapels 20 nicht kleiner als die vorbestimmte Änderungsrate ist, startet der Controller 275 neu, um die Spannung des Stapels 20 zu erfassen. Wenn bei 710 die Änderungsrate der Spannung des Stapels 20 kleiner als die vorbestimmte Änderungsrate ist, dann zeigt der Controller 275 das Kurzschlussereignis an 350, wie in 3 beschrieben ist. Zusätzlich zum Anzeigen 350 des Kurzschlussereignisses kann der Controller 275 signalisieren, dass von dem OCM eine Gegenmaßnahme 355 ergriffen werden soll.
  • Beispielsweise kann der Controller 275 eine vorbestimmte Spannung von etwa 30 Volt und eine vorbestimmte Änderungsrate von etwa 1*107 Volt/Sekunden verwenden. Die vorbestimmte Spannung und die vorbestimmte Änderungsrate werden durch die speziellen Eigenschaften des Stapels 20 bestimmt.
  • Es wird angemerkt, dass die Begriffe „im Wesentlichen“ und „etwa“ hier verwendet sein können, um einen naturgegebenen Grad an Unsicherheit darzustellen, der jedem quantitativen Vergleich, Wert, Messwert oder einer anderen Darstellung innewohnen kann. Diese Begriffe werden hier außerdem verwendet, um den Grad darzustellen, um den eine quantitative Darstellung von einem angegebenen Bezugswert abweichen kann, ohne zu einer Änderung bei der Grundfunktion des fraglichen Gegenstands zu führen.
  • Das von einem Computer verwendbare oder computerlesbare Medium kann beispielsweise aber ohne Einschränkung ein elektronisches, magnetisches, optisches, elektromagnetisches, Infrarot- oder Halbleitersystem, eine entsprechende Vorrichtung, ein entsprechendes Gerät oder Verbreitungsmedium sein. Speziellere Beispiele (eine nicht umfassende Liste) für das computerlesbare Medium können die Folgenden umfassen: eine elektrische Verbindung mit einem oder mehreren Drähten, eine tragbare Computerdiskette, einen Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM), einen Festwertspeicher (ROM), einen lösbaren programmierbaren Festwertspeicher (EPROM oder Flash-Speicher), eine optische Glasfaser (Beispiel für ein Verbreitungsmedium) und einen tragbaren Compactdisc-Festwertspeicher (CD-ROM). Es wird angemerkt, dass das von einem Computer verwendbare oder computerlesbare Medium auch Papier oder ein anderes geeignetes Medium sein kann, auf das das Programm gedruckt ist, da das Programm beispielsweise über das optische Abtasten des Papiers oder des anderen Mediums elektronisch erfasst werden kann, dann kompiliert, interpretiert oder falls notwendig auf andere Weise auf geeignete Weise verarbeitet werden kann, und dann in einem Computerspeicher gespeichert werden kann.
  • Computerprogrammcode zum Ausführen von Operationen der vorliegenden Offenbarung kann in einer Programmiersprache auf hoher Ebene geschrieben sein, etwa C oder C++, zur Erleichterung der Entwicklung. Zudem kann ein Computerprogrammcode zum Ausführen von Operationen der vorliegenden Offenbarung auch in anderen Programmiersprachen geschrieben sein, z.B. in interpretierten Sprachen, ohne darauf beschränkt zu sein. Einige Module oder Routinen können in Assemblersprache oder sogar in Mikrocode geschrieben sein, um die Leistung und/oder Speichernutzung zu verbessern. Jedoch hängen Softwareausführungsformen der vorliegenden Offenbarung nicht von einer Implementierung in einer speziellen Programmiersprache ab. Es ist ferner festzustellen, dass die Funktionalität einiger oder aller Programmmodule auch unter Verwendung diskreter Hardwarekomponenten, einer oder mehrerer anwendungsspezifischer integrierter Schaltungen (ASICs) oder eines programmierten digitalen Signalprozessors oder Mikrocontrollers implementiert sein kann.

Claims (9)

  1. Vorrichtung zum Detektieren eines Kurzschlussereignisses in einem Brennstoffzellensystem (205), wobei die Vorrichtung umfasst: einen ersten Sensor (250), der mit einer Leistungsausgabe einer Brennstoffzelle (15) elektrisch gekoppelt ist und ausgestaltet ist, um einen ersten Strom (300) zu erfassen; einen zweiten Sensor (255), der mit der Leistungsausgabe der Brennstoffzelle (15) elektrisch gekoppelt ist und ausgestaltet ist, um einen zweiten Strom (305) zu erfassen; einen dritten Sensor (260), der mit der Leistungsausgabe der Brennstoffzelle (15) elektrisch gekoppelt ist und ausgestaltet ist, um eine Spannung (310) zu erfassen; einen Controller (275), der mit dem ersten Sensor (250), dem zweiten Sensor (255) und dem dritten Sensor (260) elektrisch gekoppelt ist und ausgestaltet ist, um den ersten Strom (300), den zweiten Strom (305) und die Spannung (310) zu messen, und um einen Algorithmus in einem computerlesbaren Medium auszuführen, um ein Kurzschlussereignis anzuzeigen, wenn der erste Strom (300) einen ersten Schwellenwert (315) überquert und/oder der zweite Strom (305) einen zweiten Schwellenwert (320) überquert und/oder die Spannung (310) einen dritten Schwellenwert (325) überquert; und einen abgestimmten Überstromintegrierer (410), der mit dem zweiten Sensor (255) elektrisch gekoppelt ist, welcher als Wechselstromsensor ausgestaltet ist, um einen Strom eines Hochfrequenzwiderstands (HFR) in der Brennstoffzelle (15) zu messen, wobei der zweite Sensor (255) und der abgestimmte Überstromintegrierer (410) mit dem Controller (275) zusammenarbeiten, um das Kurzschlussereignis anzuzeigen, wenn der Controller (275) das Kurzschlussereignis von dem abgestimmten Überstromintegrierer (410) erfasst.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Controller (275) so ausgestaltet ist, dass er das Kurzschlussereignis erst anzeigt, wenn zwei oder mehr Schwellenwerte überquert werden.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, die ferner umfasst: eine erste Verriegelung (340), die einen ersten Wert festhält, wenn der erste Strom (300) den ersten Schwellenwert (315) überquert; und eine zweite Verriegelung (420), die einen zweiten Wert festhält, wenn der zweite Strom (305) den zweiten Schwellenwert (320) überquert.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner einen Modusmanager (360) umfasst, um die Erfassung der Spannung (310) zu ermöglichen, wobei der Modusmanager (360) die Erfassung der Spannung (310) in einem Fahrmodus ermöglicht und der Modusmanager (360) die Erfassung der Spannung (310) in einem Nicht-Fahrmodus deaktiviert.
  5. Verfahren zum Bestimmen eines Kurzschlussereignisses in einem Brennstoffzellensystem (205), wobei das Verfahren umfasst, dass: ein erster Strom (300) unter Verwendung eines ersten Sensors (250), der mit einer Leistungsausgabe einer Brennstoffzelle (15) elektrisch gekoppelt ist, erfasst wird; ein zweiter Strom (305) unter Verwendung eines zweiten Sensors (255), der mit der Leistungsausgabe der Brennstoffzelle (15) elektrisch gekoppelt ist, erfasst wird; eine Spannung (310) unter Verwendung eines dritten Sensors (260), der mit der Leistungsausgabe der Brennstoffzelle (15) elektrisch gekoppelt ist, erfasst wird; der erste Strom (300), der zweite Strom (305) und die Spannung (310) unter Verwendung eines Controllers (275), der mit dem ersten Sensor (250), dem zweiten Sensor (255) und dem dritten Sensor (260) elektrisch gekoppelt ist, gemessen werden; und ein Algorithmus in einem computerlesbaren Medium ausgeführt wird, um das Kurzschlussereignis anzuzeigen, wenn der erste Strom (300) einen ersten Schwellenwert (315) überquert und/oder der zweite Strom (305) einen zweiten Schwellenwert (320) überquert und/oder die Spannung (310) einen dritten Schwellenwert (325) überquert; wobei durch den zweiten Sensor (255) in Verbindung mit einem abgestimmten Überstromintegrierer (410) ein Strom eines Hochfrequenzwiderstands (HFR) in der Brennstoffzelle (15) gemessen wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Controller (275) fordert, dass zwei oder mehr Schwellenwerte überquert sein müssen, bevor das Kurzschlussereignis angezeigt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, das ferner umfasst, dass: ein erster Wert unter Verwendung einer ersten Verriegelung (340) festgehalten wird, wenn der erste Strom (300) den ersten Schwellenwert (315) überquert; und ein zweiter Wert unter Verwendung einer zweiten Verriegelung (420) festgehalten wird, wenn der zweite Strom (310) den zweiten Schwellenwert (320) überquert.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die erste Verriegelung (340) und die zweite Verriegelung (420) in den Algorithmus einprogrammiert sind.
  9. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die erste Verriegelung (340) und die zweite Verriegelung (420) separate Schaltungen im Brennstoffzellensystem (205) sind und mit dem Controller (275) elektrisch gekoppelt sind.
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