DE19523260A1 - Verfahren zur Überwachung mehrerer gleichartiger Spannungsquelleneinheiten - Google Patents

Verfahren zur Überwachung mehrerer gleichartiger Spannungsquelleneinheiten

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überwachung mehrerer gleichartiger Spannungsquelleneinheiten nach dem Ober­ begriff des Anspruchs 1. Eine solche Spannungsquelleneinheit kann beispielsweise von einer oder bevorzugt mehreren elementa­ ren Batteriezellen oder auch von einer oder bevorzugt mehreren elementaren Brennstoffzellen gebildet sein.
Ein wichtiges Anwendungsgebiet eines derartigen Verfahrens sind Brennstoffzellensysteme, z. B. mit H₂/O₂-Brennstoffzellen, die üb­ licherweise eine Zellspannung von ca. 0,5 V bis 1,0 V liefern. Zur Erzielung höherer Spannungen und damit größerer Leistungen wer­ den einzelne Brennstoffzellen zu einem Stapel hintereinanderge­ schaltet. Es ist nun wichtig sicherzustellen, daß die Brenn­ stoffzellen effektiv arbeiten und die vom Brennstoffzellenstapel gelieferte Leistung nicht einzelne Brennstoffzellen in unzuläs­ sige oder gefährliche Betriebszustände mit negativer Zellspan­ nung zwingt, sondern daß sich die Zellspannungen in Abhängigkeit vom Lastzustand innerhalb einer gewissen Bandbreite halten. Wei­ terhin ist es wünschenswert, Defekte an der H₂/O₂-Separations­ einheit feststellen zu können. Um derartige Verschlechterungen der Leistungsfähigkeit einer einzelnen Brennstoffzelle zu erken­ nen, ist es notwendig, hinreichende Informationen über die ein­ zelnen Zellspannungen zu erhalten. Da die Gesamtspannung des Brennstoffzellenstapels eine sehr starke Abhängigkeit von der momentanen Last zeigt, sind ihre Spannungsänderungen größer als die nominalen Zellspannungen, so daß sie als Überwachungsgröße wenig geeignet ist. Da eine Einzelzellspannungsüberwachung einen relativ hohen Aufwand erfordert, sind bereits Verfahren vorge­ schlagen worden, den gesamten Brennstoffzellenstapel in mehrere Brennstoffzellenblöcke zu unterteilen, die ihrerseits jeweils aus mehreren einzelnen Brennstoffzellen bestehen, und die Span­ nung jedes Brennstoffzellenblocks zu erfassen.
Ein solches Verfahren ist aus der Offenlegungsschrift WO 91/19328 bekannt. Um eine möglichst zuverlässige Aussage über die Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels bzw. über das Vorliegen einzelner, geschwächter oder ausgefallener Brennstoff­ zellen zu gewinnen, wird bei einer der mehreren dort beschriebe­ nen Methoden aus den gemessenen Spannungen der Batterieblöcke ein Mittelwert bestimmt, mit dem dann die Einzelspannungen der Brennstoffzellenblöcke verglichen werden. Sobald eine Einzel­ spannung um mehr als ein vorgegebenes Maß kleiner ist als der als Referenzspannung dienende Mittelwert, wird eine entsprechen­ de Warnung abgegeben. Außerdem kann vorgesehen sein, eine War­ nung auch dann abzugeben, wenn eine Einzelspannung eines Brenn­ stoffzellenblocks unter einen vorgegebenen, festen Grenzwert fällt, der dem Produkt aus der Anzahl einzelner Brennstoffzellen pro Brennstoffzellenblock mit einer für eine einzelne Brenn­ stoffzelle vorausgesetzten Mindestspannung entspricht. Wenn der Warnzustand über eine gewisse Zeit anhält, werden abgestuft ent­ sprechende Maßnahmen ergriffen, wie Unterbrechung der Brenn­ stoffzufuhr für die Brennstoffzellen, Abkoppeln der Last, Auslö­ sen eines akustischen oder optischen Alarms etc. Bei diesem be­ kannten Verfahren erfolgt in dem Fall, daß die Spannungen der Mehrzahl von Brennstoffzellenblöcken abnehmen, häufig keine War­ nung, solange noch alle Spannungen über dem fest vorgegebenen Mindestwert liegen, da mit sich verringernder Spannung der Mehr­ zahl der Brennstoffzellenblöcke auch der Mittelwert der Brenn­ stoffzellenblockspannungen merklich abnimmt.
Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Verfahrens der eingangs genannten Art zugrunde, mit dem eine nachlassende Leistungsfähigkeit bzw. ein Ausfall wenigstens einer der mehreren Spannungsquelleneinheiten vergleichweise zu­ verlässig erkannt werden kann.
Dieses Problem wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Es sieht zum einen vor, die Einzelspannungen der Spannungsquelleneinheiten mit einem von deren Mittelwert ab­ hängigen Grenzwert zu vergleichen und eine Warninformation ab zu­ geben, sobald die Einzelspannung einer Spannungsquelleneinheit unter den Grenzwert gefallen ist. Der Grenzwert kann bevorzugt als Produkt eines Faktors kleiner als eins mit der Mittelwert­ spannung vorgewählt werden. Diese Warnung spricht insbesondere in den Fällen an, in denen nur ein geringerer Teil der Span­ nungsquelleneinheiten in ihrer Leistungsfähigkeit nachgelassen hat, da dann der Mittelwert hiervon noch nicht zu stark beein­ flußt wird. Zum anderen erzeugt das Verfahren dann eine Warnin­ formation, wenn die Differenz zwischen der größten und der kleinsten Einzelspannung einen vorgebbaren zweiten Grenzwert überschreitet. Auf diese Weise kann auch vor einem Betriebszu­ stand gewarnt werden, bei dem die Mehrzahl der Spannungsquellen­ einheiten, jedoch nicht alle, in ihrer Leistungsfähigkeit schon merklich nachgelassen haben. Denn in diesem Fall fällt zwar auch die Mittelwertspannung merklich ab, so daß keine Warnung auf­ grund einer zu stark unter die Mittelwertspannung abgefallenen Einzelspannung erfolgt, jedoch erhöht sich die Differenz zwi­ schen der kleinsten Einzelspannung und der z. B. noch annähernd auf dem Wert maximaler Leistungsfähigkeit verbliebenen größten Einzelspannung.
In einer Weiterbildung des Verfahrens nach Anspruch 2 wird eine zweistufige, an die Mittelwertspannung angekoppelte Warninforma­ tionserzeugung vorgesehen. Zu diesem Zweck werden zwei zur Mit­ telwertspannung proportionale Grenzwerte vorgesehen, indem jeder Grenzwert als Produkt eines vorgewählten Faktors mit dem Mittel­ wert festgelegt wird, wobei beide Faktoren unterschiedlich groß sind und zwischen null und eins liegen. Damit ergibt sich die Möglichkeit, abgestufte Maßnahmen bei sich verschlechterndem Be­ triebsverhalten der Spannungsquelleneinheiten zu ergreifen. Die Zweistufigkeit schafft genügend Handlungsspielraum für solche anwendungsabhängigen Systemeingriffe in den Betriebsprozeß der Spannungsquelleneinheiten zwischen der ersten und der zweiten Warnstufe.
In weiterer Ausgestaltung des Verfahrens nach Anspruch 3 können die beiden Faktoren zur Festlegung der Grenzwerte für die beiden Warnstufen durch vorherige Simulation und statistische Auswer­ tung verschiedener Betriebszustände der Spannungsquelleneinhei­ ten so bestimmt werden, daß sie sich anschließend im realen Be­ trieb für die unterschiedlichen möglichen Zustände eignen. Es genügt dann, diese beiden einmal vorab bestimmten Faktoren un­ verändert vorzugeben, ohne daß sie an schwankende Betriebszu­ stände angepaßt werden müssen.
In Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 4 wird nach Auslö­ sen der zweiten Warnstufe die Gasversorgung für den Brennstoff­ zellenstapel erhöht und/oder die elektrische Last zurückgenom­ men.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeich­ nung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.
Die einzige Figur zeigt einen Programmablaufplan eines Verfah­ rens zur Zellblockspannungsüberwachung für ein Brennstoffzellen­ system.
Das in seinem Programmablauf gezeigte Verfahren läßt sich dazu verwenden, mit vergleichsweise geringem Aufwand Aufschluß über den jeweiligen Betriebs- und Belastungszustand von Brennstoff­ zellen eines Brennstoffzellensystems zu gewinnen. Dazu wird das Brennstoffzellensystem in mehrere Brennstoffzellenblöcke unter­ teilt, die typischerweise jeweils zwischen zwei und acht einzel­ ne Brennstoffzellen umfassen. Durch Meßspitzen auf den entspre­ chenden Kohlekollektoren wird an jedem Brennstoffzellenblock die von diesem gelieferte Blockspannung erfaßt. Durch eine geeignete Auswertung dieser Zellblockspannungssignale ist es mit dem Ver­ fahren möglich, eine Unterschreitung eines Mindestwertes durch einen Brennstoffzellenblock zu erkennen und diesen Block zu lo­ kalisieren sowie beim Unterschreiten einer Mindestspannung durch einen Block eine Schädigung von dessen Zellen durch Erhöhung der Gasversorgung oder durch Verringerung bzw. Abschaltung der elek­ trischen Last zu vermeiden. Dies gewährleistet der nachfolgend genauer beschriebene Ablauf des Verfahrens, dessen Hard- und Softwarerealisierung auf einem Prozeßleitsystem erfolgen kann, was dem Fachmann bei Kenntnis der nachstehenden Funktionsweise auf verschiedene herkömmliche Arten möglich ist.
In einem ersten Schritt (1) wird zunächst aus den gemessenen Zellblockspannungen der maximale Spannungswert (Umax) und der mi­ nimale Spannungswert (Umin) ermittelt und der arithmetische Mit­ telwert (UM) aller Zellblockspannungen bestimmt. Aus den Werten für die maximale Zellblockspannung (Umax) und die minimale Zell­ blockspannung (Umin) wird deren Differenz (dUmax = Umax - Umin) als die maximale Differenz zwischen zwei Zellblockspannungen berechnet. Daraufhin werden in zwei parallelen Schritten (2, 3) ein erster Grenzwert (G1) und ein zweiter Grenzwert (G2) durch Multiplika­ tion der Mittelwertspannung (UM) mit einem ersten Faktor (F1) bzw. einem zweiten Faktor (F2) definiert. Beide Faktoren (F1, F2) liegen zwischen null und eins, wobei der erste Faktor (F1) größer als der zweite (F2) ist. Diese beiden von der Mittelwert­ spannung abhängigen Grenzwerte (G1, G2) dienen im weiteren als Referenzspannungen. Alternativ kann der zweite Grenzwert (G2) auch auf einen festen, für die Zellblockspannungen geforderten Mindestwert unabhängig von der Mittelwertspannung (UM) festge­ setzt werden.
Anschließend folgen parallel drei Abfragen, und zwar erstens (Schritt 4), ob die minimale Zellblockspannung (Umin) kleiner als der erste Grenzwert (G1) ist, zweitens (Schritt 5), ob die maxi­ male Blockspannungsdifferenz (dUmax) größer als ein vorgegebener dritter Grenzwert (G3) ist, und drittens (Schritt 7), ob die mi­ nimale Zellblockspannung (Umin) kleiner als der zweite Grenzwert (G2) ist. Wenn die minimale Zellblockspannung (Umin) den ersten Grenzwert (G1) unterschreitet, wird ein erstes Erkennungsbit (B1), das ansonsten auf den Wert null gesetzt ist, auf eins ge­ setzt. Analog wird ein zweites Erkennungsbit (B2), das ansonsten auf null gesetzt ist, auf eins gesetzt, wenn die maximale Zell­ blockspannungsdifferenz (dUmax) den dritten Grenzwert (G3) über­ schritten hat, der abgestimmt auf den jeweiligen Anwendungsfall als ein fester Spannungswert passend vorgegeben wird. Alternativ ist es möglich, auch diesen Grenzwert (G3) abhängig vom Zell­ blockspannungsmittelwert (UM) vorzugeben. In einem anschließenden Schritt (6) werden die beiden Erkennungsbits (B1, B2) ODER- verknüpft, woraufhin ein Alarmsignal (A1) abgegeben wird, wenn wenigstens eines der beiden Erkennungsbits (B1, B2) den Wert eins besitzt. Auf diese Weise kann ein übermäßiger Spannungsab­ fall in einer oder mehreren Brennstoffzellen über den dadurch induzierten Spannungsabfall in dem oder den zugehörigen Brenn­ stoffzellenblöcken sicher erkannt werden. Mit der Unterschrei­ tung des ersten Grenzwertes (G1) durch die minimale Zellblock­ spannung (Umin) werden insbesondere diejenigen Fälle detektiert, bei denen die Spannung eines Blocks merklich unter die Span­ nungswerte der Mehrzahl der übrigen Blöcke abgefallen ist. Durch den Vergleich der maximalen Spannungsdifferenz (dUmax) mit dem dritten Grenzwert (G3) werden hingegen besonders diejenigen Fäl­ le erfaßt, bei denen eine Mehrzahl der abgetasteten Zellblock­ spannungen merklich gegenüber den Spannungswerten eines oder ei­ niger weniger, noch verhältnismäßig leistungsfähiger Zellenblöc­ ke abgefallen sind.
Da der zweite Grenzwert (G2) kleiner als der erste (G1) festge­ setzt ist, wird die weitere Abfrage, ob die minimale Zellblock­ spannung (Umin) kleiner als der zweite Grenzwert (G2) ist, erst dann bejahend beantwortet, wenn zuvor bereits eine Alarmwarnung (AI) aufgrund Unterschreitens des ersten Grenzwertes (G1) durch die minimale Zellblockspannung (Umin) abgegeben wurde. Unter­ schreitet die minimale Zellblockspannung (Umin) dann auch diesen zweiten Grenzwert (G2), wird als zweite Warnstufe ein zweites Alarmsignal (A2) abgegeben. Durch geeignete Wahl der Faktoren (F1, F2) für die beiden Grenzwerte (G1, G2) ist es möglich, die gleichen Werte für diese Faktoren (F1, F2) für die unterschied­ lichen auftretenden Belastungsfälle des Brennstoffzellensystems zu benutzen, was den Realisierungsaufwand vereinfacht. Die Aus­ wahl geeigneter Werte für die Faktoren (F1, F2) erfolgt durch eine vorherige Simulation und statistische Auswertung von Zellspannungen bei unterschiedlichen Belastungszuständen des Brennstoffzellensystems.
Die Breite des Bereichs zwischen den beiden Grenzwerten (G1, G2) wird so gewählt, daß ausreichender Handlungsspielraum für einen Eingriff in den Brennstoffzellenbetrieb zwischen dem Auslösen der ersten (A1) und einem ggf. nachfolgenden Auslösen der zwei­ ten Warnmeldung (A2) zur Verfügung steht. In diesem Zeitraum kann folglich vom Benutzer geeignet in das System eingegriffen werden. Unterstützt wird er dabei von der durch das Verfahren weiter geschaffenen, nicht näher dargestellten Möglichkeit, durch eine zusätzliche logische Auswertung der Signale bezüglich der minimalen (Umin) und der maximalen Zellblockspannung (Umax) den die Warnmeldung verursachenden, leistungsgeschwächten Zell­ block ermitteln und dies visuell geeignet zur Anzeige bringen zu können. Bei Bedarf kann die Auslösung des Alarmsignals (Al) der ersten Stufe von einem selbsttätigen Systemeingriff begleitet sein, indem beispielsweise automatisch die Gasversorgung für den betreffenden Brennstoffzellenblock erhöht wird. Nach Erzeugung des zweiten Alarmsignals (A2) ist zudem bevorzugt vorgesehen, daß das Brennstoffzellensteuerungssystem die Gasversorgung für den als zu leistungsschwach erkannten Brennstoffzellenblock wei­ ter automatisch erhöht und/oder die an diesen angekoppelte elek­ trische Last ganz oder teilweise zurücknimmt.
Verfahrensgemäß wird der gezeigte Meß- und Abfragevorgang vom zugehörigen Prozeßleitsystem getaktet wiederholt, z. B. mit einer Taktzeit von 5 ms. Die Abhängigkeit des ersten (G1) und ggf. auch des zweiten (G2) und/oder des dritten Grenzwertes (G3) vom Mittelwert (UM) der Zellblockspannungen gewährleistet, daß die Erkennung verminderter Leistungsfähigkeit eines Zellblocks ge­ genüber anderen Zellblöcken nicht von Schwankungen des Bela­ stungszustandes des Brennstoffzellensystems beeinträchtigt wird.
Insgesamt wird durch dieses Verfahren mit relativ geringem Auf­ wand eine zuverlässige Überwachung der Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellensystems erreicht.
Es versteht sich, daß die Anwendung des oben beschriebenen Ver­ fahrens sowie im Rahmen der durch die Patentansprüche festgeleg­ ten Erfindung liegenden Modifikationen hiervon nicht auf in mehrzellige Blöcke unterteilte Brennstoffzellensysteme be­ schränkt ist. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich allge­ mein auch zur Spannungsüberwachung einzelner Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels. Zudem ist es nicht auf Brenn­ stoffzellensysteme beschränkt, sondern auch für andere Span­ nungsquellensysteme, wie mehrzellige Batteriesysteme, verwend­ bar.

Claims (5)

1. Verfahren zur Überwachung mehrerer gleichartiger Spannungs­ quelleneinheiten, insbesondere Brennstoffzelleneinheiten, bei dem
  • - die Einzelspannungen der Spannungsquelleneinheiten gemessen und daraus eine Mittelwertspannung (UM) bestimmt wird und
  • - die Einzelspannungen mit der Mittelwertspannung verglichen werden, wobei eine Warninformation abgegeben wird, wenn eine Einzelspannung (Umin) kleiner als ein von der Mittelwert­ spannung abhängiger erster Einzelspannungs-Grenzwert (G1) ist,
dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die Differenz (dUmax = Umax - Umin) zwischen der größten (Umax) und der kleinsten Einzelspannung (Umin) bestimmt wird und
  • - eine Warninformation (A1) abgegeben wird, wenn diese Span­ nungsdifferenz (dUmax) einen vorgebbaren Spannungsdifferenz- Grenzwert (G3) überschreitet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß
  • - der erste Einzelspannungs-Grenzwert (G1) als Produkt eines vorgewählten ersten Faktors (F1) kleiner als eins mit der Mittelwertspannung (UM) und ein zweiter Einzelspannungs- Grenzwert (G2) als Produkt eines vorgewählten zweiten Faktors (F2), der kleiner als der erste Faktor ist, mit der Mittel­ wertspannung (UM) vorgegeben werden und
  • - eine Warninformation (A2) abgegeben wird, wenn eine Einzel­ spannung (Umin) kleiner als der zweite Einzelspannungs- Grenzwert (G2) ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, weiter dadurch gekennzeichnet, daß gleichbleibende Werte der Faktoren (F1, F2) für die verschiede­ nen Belastungszustände der Spannungsquelleneinheiten vorgewählt werden, wobei diese Werte durch vorherige Simulation und stati­ stische Auswertung verschiedener Betriebszustände der Spannungs­ quelleneinheiten ermittelt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3 für ein aus mehreren Brenn­ stoffzellenblöcken bestehendes Brennstoffzellensystem, weiter dadurch gekennzeichnet, daß bei Abgabe der Warninformation (A2) aufgrund einer Unterschrei­ tung des zweiten Einzelspannungs-Grenzwertes (G2) durch eine Einzelspannung (Umin) eines der Brennstoffzellenblöcke automa­ tisch die Gasversorgung für diesen Brennstoffzellenblock erhöht und/oder die an diesem anliegende elektrische Last reduziert wird.
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