DE19523260C2 - Method for monitoring more than two similar voltage source units - Google Patents

Method for monitoring more than two similar voltage source units

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überwachung von mehr als zwei gleichartigen Spannungsquelleneinheiten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Spannungsquelleneinheit kann beispielsweise von einer oder bevorzugt mehreren elementaren Batteriezellen oder auch von einer oder bevorzugt mehreren elementaren Brennstoffzellen gebildet sein.The invention relates to a method for monitoring more than two similar voltage source units after the Preamble of claim 1. Such a voltage source unit can, for example, one or preferably more elementary battery cells or one or preferred be formed of several elementary fuel cells.

Ein wichtiges Anwendungsgebiet eines derartigen Verfahrens sind Brennstoffzellensysteme, z. B. mit H₂/O₂-Brennstoffzellen, die üblicherweise eine Zellspannung von ca. 0,5 V bis 1,0 V liefern. Zur Erzielung höherer Spannungen und damit größerer Leistungen werden einzelne Brennstoffzellen zu einem Stapel hintereinandergeschaltet. Es ist nun wichtig sicherzustellen, daß die Brennstoffzellen effektiv arbeiten und die vom Brennstoffzellenstapel gelieferte Leistung nicht einzelne Brennstoffzellen in unzulässige oder gefährliche Betriebszustände mit negativer Zellspannung zwingt, sondern daß sich die Zellspannungen in Abhängigkeit vom Lastzustand innerhalb einer gewissen Bandbreite halten. Weiterhin ist es wünschenswert, Defekte an der H₂/O₂-Separationseinheit feststellen zu können. Um derartige Verschlechterungen der Leistungsfähigkeit einer einzelnen Brennstoffzelle zu erkennen, ist es notwendig, hinreichende Informationen über die einzelnen 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.An important area of application of such a method is Fuel cell systems, e.g. B. with H₂ / O₂ fuel cells, the usually deliver a cell voltage of approx. 0.5 V to 1.0 V. To achieve higher voltages and thus greater performance individual fuel cells become a stack connected in series. It is now important to ensure that the fuel cells work effectively and that of Fuel cell stacks delivered performance not individual Fuel cells in impermissible or dangerous Operating states with negative cell voltage forces, but that cell voltages depend on the load condition keep within a certain range. Furthermore it is desirable, defects in the H₂ / O₂ separation unit to be able to determine. To such deterioration of the Recognize the performance of a single fuel cell, it is necessary to have sufficient information about each To get cell voltages. Since the total voltage of the Fuel cell stack a very strong dependence on the shows current load, their voltage changes are greater than the nominal cell voltages so that they are used as a monitoring quantity is not very suitable. Since a single cell voltage monitoring one Requires relatively high effort, procedures are already in place  been hitting the entire fuel cell stack in several Subdivide fuel cell blocks, each in turn consist of several individual fuel cells, and the Span each fuel cell block.

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 Brenn­ stoffzellen zu gewinnen, wird bei einer der mehreren dort be­ schriebenen Methoden aus den gemessenen Spannungen der Batte­ rieblöcke ein Mittelwert bestimmt, mit dem dann die Einzelspan­ nungen der Brennstoffzellenblöcke verglichen werden. Sobald ei­ ne Einzelspannung um mehr als ein vorgegebenes Maß kleiner ist als der als Referenzspannung dienende Mittelwert, wird eine entsprechende Warnung abgegeben. Außerdem kann vorgesehen sein, eine Warnung auch dann abzugeben, wenn eine Einzelspannung ei­ nes Brennstoffzellenblocks unter einen vorgegebenen, festen Grenzwert fällt, der dem Produkt aus der Anzahl einzelner Brennstoffzellen pro Brennstoffzellenblock mit einer für eine einzelne Brennstoffzelle vorausgesetzten Mindestspannung ent­ spricht. Wenn der Warnzustand über eine gewisse Zeit anhält, werden abgestuft entsprechende Maßnahmen ergriffen, wie Unter­ brechung der Brennstoffzufuhr für die Brennstoffzellen, Abkop­ peln der Last, Auslösen eines akustischen oder optischen Alarms etc. Bei diesem bekannten Verfahren erfolgt in dem Fall, daß die Spannungen der Mehrzahl von Brennstoffzellenblöcken abneh­ men, häufig keine Warnung, solange noch alle Spannungen über dem fest vorgegebenen Mindestwert liegen, da mit sich verrin­ gernder Spannung der Mehrzahl der Brennstoffzellenblöcke auch der Mittelwert der Brennstoffzellenblockspannungen merklich ab­ nimmt.Such a method is disclosed in WO 91/19328 known. To make the most reliable statement possible the performance of the fuel cell stack or over the presence of single, weakened or failed distillate One of the several companies there will win fabric cells methods written from the measured voltages of the battery rieblock determined an average value, with which the individual chip of the fuel cell blocks are compared. Once egg ne single voltage is smaller by more than a predetermined amount as the mean value serving as the reference voltage, a issued corresponding warning. It can also be provided to issue a warning even if a single voltage nes fuel cell block under a predetermined, fixed Limit falls that the product from the number of individual Fuel cells per fuel cell block with one for one individual fuel cell required minimum voltage ent speaks. If the warning condition persists for a period of time, appropriate steps are taken, such as sub  refraction of the fuel supply for the fuel cells, Abkop leveling the load, triggering an acoustic or visual alarm etc. With this known method, in the event that the voltages of the plurality of fuel cell blocks decrease often no warning as long as all tensions are still over the fixed minimum value, because it reduces itself lower voltage of the majority of the fuel cell blocks the mean value of the fuel cell block voltages drops markedly takes.

Bei einer in der Offenlegungsschrift DE 31 46 141 A1 beschrie­ benen Überwachungseinrichtung für eine Batterie mit mehreren gleichartigen Spannungsquelleneinheiten werden die Einzelspan­ nungen der Spannungsquelleneinheiten gemessen und in einer an­ schließenden Diagnoseeinrichtung paarweise miteinander vergli­ chen. Sobald bei diesem Vergleich eine Differenzspannung auf­ tritt, werden aus deren Wert und Polarität sowie dem Betriebs­ zustand der gesamten Batterie Rückschlüsse auf Fehler oder Störquellen in den zu dieser aufgetretenen Differenzspannung gehörigen Spannungsquelleneinheiten gezogen.In one described in the published patent application DE 31 46 141 A1 level monitoring device for a battery with several The individual chips become similar voltage source units voltage source units measured and in one close diagnostic device in pairs chen. As soon as a difference voltage occurs in this comparison occurs from their value and polarity as well as the operation condition of the entire battery conclusions about errors or Interference sources in the differential voltage that has occurred associated voltage source units.

Bei einer in der Patentschrift US 4.823.086 offenbarten Batte­ riepaketanordnung wird der Spannungsabfall an jeder Einzelbat­ terie gemessen und mit einem normalen Wert des Spannungsabfalls als Referenz verglichen. Sobald sich hierbei eine Abweichung ergibt, wird eine entsprechende Warninformation erzeugt.For a battery disclosed in US 4,823,086 The package drop will be the voltage drop at each individual bat terie measured and with a normal value of the voltage drop compared for reference. As soon as there is a deviation corresponding warning information is generated.

In der Offenlegungsschrift DT 21 48 628 wird ein Verfahren zur Zellspannungsüberwachung einer Batterie vorgeschlagen, bei wel­ chem zwei Spannungsteile der Batterie mit ihrem Mittelwert ver­ glichen werden und ein Signal abgegeben wird, sobald die Abwei­ chung einer Zellenspannung von diesem Mittelwert einen vorgege­ benen Beitrag erreicht. The published patent application DT 21 48 628 describes a method for Cell voltage monitoring of a battery proposed, at wel chem ver verges two voltage parts of the battery with their mean be compared and a signal is given as soon as the deviation a cell voltage from this mean reached contribution.  

In der Offenlegungsschrift DE 43 38 178 A1 ist eine Anordnung zur Überwachung des Zustands von Brennstoffzellen-Modulen vor­ gesehen, bei denen die Brennstoffzellen in wenigstens zwei par­ allel geschalteten Reihen mit jeweils gleicher Zellenanzahl hintereinander geschaltet sind, wobei die Reihen in Zweige ei­ ner Brückenschaltung aufgeteilt und mit wenigstens einer Aus­ werteanordnung verbunden sind, welche die zwischen den beiden Zweigen abgegriffene Spannung oder den Strom auswertet und bei Abweichungen über zulässige Grenzen hinaus eine Fehlermeldung erzeugt.In the published patent application DE 43 38 178 A1 there is an arrangement to monitor the condition of fuel cell modules seen in which the fuel cells in at least two par allel series connected with the same number of cells are connected in series, with the rows in branches egg ner bridge circuit split and with at least one off value arrangement, which are those between the two Tapped voltage or the current evaluates and at Deviations beyond the permissible limits result in an error message generated.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Verfahrens der eingangs genannten Art zugrunde, mit dem eine nachlassende Leistungsfähigkeit bzw. ein Ausfall wenig­ stens einer der mehreren Spannungsquelleneinheiten mit ver­ gleichweise geringem Aufwand zuverlässig erkannt werden kann. The invention is a technical problem of providing based on a method of the type mentioned at the beginning, with which a declining performance or a failure a little at least one of the several voltage source units with ver equally effortless can be reliably recognized.  

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 abzu­ 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.This problem is solved by a method with the characteristics of Claim 1 solved. On the one hand, it provides for the individual voltages of the voltage source units with one from their mean value compare the limit value and issue warning information give as soon as the single voltage of a voltage source unit has fallen below the limit. The limit can be preferred as the product of a factor less than one with the mean voltage can be selected. This warning speaks in particular in cases where only a minor part of the span Power source units decreased in their performance has, since then the mean value of this does not influence it too much is flowing. On the other hand, the method then generates a warning formation if the difference between the largest and the smallest individual voltage has a predeterminable second limit value exceeds. In this way, it is also possible to was warned at which the majority of the voltage sources units, but not all, in terms of their performance have decreased noticeably. Because in this case, too the mean voltage drops noticeably, so that no warning due to a drop below the mean voltage Single voltage occurs, but the difference between increases rule the smallest single voltage and the z. B. approximately largest remaining at the value of maximum performance Single tension.

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 a development of the method according to claim 2, a two-stage warning information coupled to the mean voltage generation provided. For this purpose, two become co-workers limit values provided by each Limit as the product of a preselected factor with the mean value is set, with both factors being different sizes and are between zero and one. This results in the Possibility of graded measures in the event of worsening conditions to take the drive behavior of the voltage source units. The Two levels create enough scope for such application-dependent system interventions in the operating process of  Power source units between the first and the second Warning level.

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 a further embodiment of the method according to claim 3 can the two factors determining the limits for the two Warning levels through previous simulation and statistical evaluation different operating states of the voltage source unit ten so that they are then in real Be suitable for the different possible states. It It is then sufficient to determine these two factors, which have been determined in advance to be changed without changing the fluctuating operating conditions stands must be adjusted.

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.In a further development of the invention according to claim 4, after triggering the second warning level, the gas supply for the fuel cell stack increased and / or the electrical load reduced men.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeich­ nung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.A preferred embodiment of the invention is in the drawing voltage and is described below.

Die einzige Figur zeigt einen Programmablaufplan eines Verfah­ rens zur Zellblockspannungsüberwachung für ein Brennstoffzellen­ system.The only figure shows a program flow chart of a process rens for cell block voltage monitoring for a fuel cell 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.The procedure shown in its program flow can be used use, with comparatively little effort information about the respective operating and load status of fuel cells of a fuel cell system. This will be Fuel cell system in several fuel cell blocks under divides, typically between two and eight each ne include fuel cells. By measuring tips on the corresponding Coal collectors on each fuel cell block supplied by this block voltage. By a suitable one Evaluation of these cell block voltage signals, it is with the Ver drive possible, falling below a minimum value to recognize a fuel cell block and lo this block  calibrate and if the voltage drops below a minimum a block damage its cells by increasing the Gas supply or by reducing or switching off the elec to avoid tric load. This is guaranteed by the following more precisely described sequence of the process, its hardware and Software can be implemented on a process control system, what the specialist with knowledge of the following mode of operation is possible in various conventional ways.

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.In a first step (1), the maximum voltage value (U max ) and the minimum voltage value (U min ) are first determined from the measured cell block voltages and the arithmetic mean value (U M ) of all cell block voltages is determined. From the values for the maximum cell block voltage (U max ) and the minimum cell block voltage (U min ), their difference (dU max = U max -U min ) is calculated as the maximum difference between two cell block voltages. Then, in two parallel steps (2, 3), a first limit value (G1) and a second limit value (G2) are defined by multiplying the mean voltage (U M ) by a first factor (F1) and a second factor (F2). Both factors (F1, F2) are between zero and one, the first factor (F1) being greater than the second (F2). These two limit values (G1, G2), which depend on the mean value voltage, also serve as reference voltages. Alternatively, the second limit value (G2) can also be set to a fixed minimum value required for the cell block voltages, regardless of the mean voltage (U M ).

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.This is followed by three queries in parallel, first (step 4) whether the minimum cell block voltage (U min ) is less than the first limit value (G1), second (step 5) whether the maximum block voltage difference (dU max ) is greater than one predetermined third limit value (G3), and third (step 7) whether the minimum cell block voltage (U min ) is less than the second limit value (G2). If the minimum cell block voltage (U min ) falls below the first limit value (G1), a first detection bit (B1), which is otherwise set to the value zero, is set to one. Analogously, a second detection bit (B2), which is otherwise set to zero, is set to one if the maximum cell block voltage difference (dU max ) has exceeded the third limit value (G3), which is matched to the respective application as a fixed voltage value is specified. Alternatively, it is also possible to specify this limit value (G3) as a function of the mean cell block voltage (U M ). In a subsequent step (6), the two detection bits (B1, B2) are OR-linked, whereupon an alarm signal (A1) is emitted if at least one of the two detection bits (B1, B2) has the value one. In this way, an excessive voltage drop in one or more fuel cells can be reliably detected via the voltage drop thereby induced in the associated fuel cell blocks. When the minimum cell block voltage (U min ) falls below the first limit value (G1), in particular those cases are detected in which the voltage of one block has dropped noticeably below the voltage values of the majority of the other blocks. By comparing the maximum voltage difference (dU max ) with the third limit value (G3), on the other hand, those cases are detected in which a majority of the sampled cell block voltages have dropped noticeably compared to the voltage values of one or a few less, yet relatively powerful cell blocks .

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 (A1) 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.Since the second limit value (G2) is less than the first (G1), the further query whether the minimum cell block voltage (U min ) is less than the second limit value (G2) will only be answered in the affirmative if already before an alarm warning (A1) was issued due to the minimum cell block voltage (U min ) falling below the first limit value (G1). If the minimum cell block voltage (U min ) also falls below this second limit value (G2), a second alarm signal (A2) is emitted as the second warning level. By suitable selection of the factors (F1, F2) for the two limit values (G1, G2), it is possible to use the same values for these factors (F1, F2) for the different load cases of the fuel cell system, which simplifies the implementation effort. The selection of suitable values for the factors (F1, F2) is carried out by prior simulation and statistical evaluation of cell voltages under different loading conditions of the fuel cell system.

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 (A1) 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.The width of the range between the two limit values (G1, G2) is chosen so that there is sufficient scope for intervention in the fuel cell operation between triggering the first (A1) and possibly a subsequent triggering of the second warning message (A2) . During this period, the user can therefore intervene appropriately in the system. He is supported by the possibility created by the method, not shown in more detail, by an additional logical evaluation of the signals with regard to the minimum (U min ) and the maximum cell block voltage (U max ) to determine the power-weakening cell block causing the warning message and this to be able to display it visually. If necessary, the triggering of the alarm signal (A1) of the first stage can be accompanied by an automatic system intervention, for example by automatically increasing the gas supply for the fuel cell block concerned. After generation of the second alarm signal (A2) it is also preferably provided that the fuel cell control system automatically increases the gas supply for the fuel cell block identified as being too weak and / or reduces the electrical load coupled to it in whole or in part.

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. According to the method, the measurement and interrogation process shown is repeated clocked by the associated process control system, z. B. with a cycle time of 5 ms. The dependence of the first (G1) and possibly also the second (G2) and / or the third limit value (G3) on the mean value (U M ) of the cell block voltages ensures that the detection of reduced performance of a cell block compared to other cell blocks does not depend on fluctuations in the Load state of the fuel cell system is impaired.

Insgesamt wird durch dieses Verfahren mit relativ geringem Auf­ wand eine zuverlässige Überwachung der Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellensystems erreicht.Overall, this procedure is relatively inexpensive reliable monitoring of the performance of the Fuel cell system reached.

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.It is understood that the application of the Ver driving as well as within the scope of the claims modifications of this invention do not lie in in multi-cell blocks divided fuel cell systems be is limited. The method according to the invention is generally suitable mine also for voltage monitoring of individual fuel cells a fuel cell stack. In addition, it is not on burning limited cell systems, but also for other chip power source systems, such as multi-cell battery systems bar.

Claims (4)

1. Verfahren zur Überwachung von mehr als zwei gleichartigen Spannungsquelleneinheiten, insbesondere Brennstoffzellen­ einheiten, 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 Spannungsdifferenz (dUmax) einen vorgebbaren Spannungsdifferenz-Grenzwert (G3) überschreitet.
1. Method for monitoring more than two identical voltage source units, in particular fuel cell units, in which
  • - The individual voltages of the voltage source units are measured and an average voltage (U M ) is determined therefrom and
  • - The individual voltages are compared with the mean value voltage, warning information being given if an individual voltage (U min ) is less than a first individual voltage limit value (G1) dependent on the mean value, characterized in that
  • - The difference (dU max = U max -U min ) between the largest (U max ) and the smallest individual voltage (U min ) is determined and
  • - Warning information (A1) is given when this voltage difference (dU max ) exceeds a predeterminable voltage difference limit value (G3).
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 Einzel­ spannungs-Grenzwert (G2) als Produkt eines vorgewählten zweiten Faktors (F2), der kleiner als der erste Faktor ist, mit der Mittelwertspannung (UM) vorgegeben werden und
  • - eine Warninformation (A2) abgegeben wird, wenn eine Einzel­ spannung (Umin) kleiner als der zweite Einzelspannungs-Grenzwert (G2) ist.
2. The method according to claim 1, further characterized in that
  • - The first single voltage limit (G1) as the product of a preselected first factor (F1) less than one with the mean voltage (U M ) and a second single voltage limit (G2) as the product of a preselected second factor (F2), the smaller than the first factor with which the mean value voltage (U M ) can be specified and
  • - Warning information (A2) is given when a single voltage (U min ) is less than the second single voltage limit (G2).
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.3. The method of claim 2, further characterized in that constant values of the factors (F1, F2) for the different load states of the voltage source units are preselected are, these values by previous simulation and stati static evaluation of different operating states of the voltage source units are determined. 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.4. The method according to claim 2 or 3 for a fuel cell system consisting of several fuel cell blocks, further characterized in that upon delivery of the warning information (A2) due to an underrun device of the second single voltage limit value (G2) by a single voltage (U min ) one of the Fuel cell blocks automatically increases the gas supply for this fuel cell block and / or the electrical load applied to it is reduced.
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Owner name: XCELLSIS GMBH, 70567 STUTTGART, DE

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Owner name: BALLARD POWER SYSTEMS AG, 70567 STUTTGART, DE

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Owner name: BALLARD POWER SYSTEMS INC., BURNABY, BRITISH COLUM

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Representative=s name: WUESTHOFF & WUESTHOFF, DE

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Owner name: BDF IP HOLDINGS LTD., VANCOUVER, BRITHISH COLU, CA

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