DE102023202354A1

DE102023202354A1 - Diagnoseverfahren zur Diagnose eines Zustands einer Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102023202354A1
Application number: DE102023202354.7A
Authority: DE
Inventors: Ren Dong; Markus Kretschmer; Rajendra Prasad Bandi; Michael Pfeil
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2023-03-15
Filing date: 2023-03-15
Publication date: 2024-09-19
Also published as: WO2024189131A1

Abstract

Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Diagnoseverfahren (100) zur Diagnose eines Zustands einer Brennstoffzelle (203), wobei das Diagnoseverfahren (100) umfasst:- Einstellen (101) eines Diagnosebetriebs,- Ermitteln (103) eines Spannungsverlaufs (107) der Brennstoffzelle (203),- Ausgeben (105) einer Meldung, die einen Defekt der Brennstoffzelle (203) meldet, für den Fall, dass der Spannungsverlauf (107) in einem vorgegebenen Zeitbereich (121) über einem vorgegebenen Diagnoseschwellenwert liegt.

Description

Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Diagnoseverfahren zur Diagnose eines Zustands einer Brennstoffzelle, ein Diagnosesystem zur Diagnose eines Zustands einer Brennstoffzelle, ein Brennstoffzellensystem und ein Computerprogrammprodukt gemäß den beigefügten Ansprüchen.
Stand der Technik
Brennstoffzellen wandeln Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser um, wobei Elektrizität entsteht, die einem Verbraucher, wie bspw. einem Elektromotor, zugeführt werden kann, um diesen anzutreiben.
Aus Sicherheitsgründen und um einen robusten Betrieb zu gewährleisten werden in der Regel an jeweiligen Brennstoffzellen eines Brennstoffzellensystems anliegende Spannungen mittels eines Spannungsmessgeräts (cell voltage monitoring) überwacht.
Bei Umgebungstemperaturen unter 0°C besteht die Gefahr, dass Teile eines Brennstoffzellensystems einfrieren, sodass ein sogenannter Gefrierstart durchgeführt wird, um das Brennstoffzellensystem zu schützen.
Um einen Zustand eines Brennstoffzellensystems zu ermitteln, ist es bekannt, dessen Brennstoffzellen in einem sogenannten „open cell voltage“ Modus zu betreiben, bei dem sich an den Brennstoffzellen in einem vorgegebenen Zeitbereich eine vorgegebene Spannung einstellt.
Offenbarung der Erfindung
Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Diagnoseverfahren, ein Diagnosesystem, ein Brennstoffzellensystem und ein Computerprogrammprodukt zur Diagnose eines Zustands einer Brennstoffzelle vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Diagnoseverfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Diagnosesystem bzw. dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem oder dem erfindungsgemäßen Computerprogrammprodukt und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Die vorgestellte Erfindung dient insbesondere dazu, eine fehlerhafte Brennstoffzelle als fehlerhaft zu erkennen.
Es wird somit gemäß einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung ein Diagnoseverfahren zur Diagnose eines Zustands einer Brennstoffzelle vorgestellt.
Das vorgestellte Diagnoseverfahren umfasst das Einstellen eines Diagnosebetriebs, das Ermitteln eines Spannungsverlaufs der Brennstoffzelle und das Ausgeben einer Meldung, die einen Defekt der Brennstoffzelle meldet, für den Fall, dass der Spannungsverlauf in einem vorgegebenen Zeitbereich eine charakteristische Spannungsschwingung zeigt bzw. über einem vorgegebenen Diagnoseschwellenwert liegt.
Unter einem Diagnosebetrieb ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Betrieb einer Brennstoffzelle zu verstehen, bei dem sich an der Brennstoffzelle eine vorgegebene Spannung einstellt bzw. ein die Brennstoffzelle umfassendes Brennstoffzellensystem dazu konfiguriert wird, seine Brennstoffzellen mit einer vorgegebenen Spannung in einem vorgegebenen Zeitbereich zu betreiben. Insbesondere ist ein Diagnosebetrieb ein sogenannter „open cell voltage mode“.
Das vorgestellte Diagnoseverfahren basiert auf dem Prinzip, dass ein charakteristischer Spannungsverlauf, nämlich eine Erhöhung beim Einstellen der vorgegebenen Spannung an einer defekten Brennstoffzelle auftritt. Diese Erhöhung kann erkannt werden, wenn der Spannungsverlauf in einem vorgegebenen Zeitbereich über einem vorgegebenen Diagnoseschwellenwert liegt. Entsprechend kann für den Fall, dass eine solche Erhöhung erkannt wird, eine Meldung ausgegeben werden, die einen Defekt der Brennstoffzelle meldet, d. h., eine Fehlermeldung ausgegeben wird.
Zum Ausgeben der Meldung kann die Meldung in einem Speicher, wie bspw. einem Fehlerspeicher eines Brennstoffzellensystems hinterlegt und/oder auf einer Ausgabeeinheit, wie bspw. einer Anzeige dargestellt werden.
Es kann vorgesehen sein, dass das Diagnoseverfahren weiterhin das Filtern des ermittelten Spannungsverlaufs mittels eines doppelten Hochpassfilters, dessen Zeitkonstante in Abhängigkeit von physischen Eigenschaften der Brennstoffzelle gewählt ist, umfasst.
Ein doppelter Hochpassfilter reduziert bzw. minimiert einen Rauschanteil in dem ermittelten Spannungsverlauf, sodass dessen Signal-to-noise-ratio maximiert wird.
Weiterhin sorgt ein doppelter Hochpass dafür, dass aus dem ursprünglichen Spannungssignal der dynamische Anteil, also sozusagen das „Schwingungsverhalten“ der Spannung extrahiert wird.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Diagnoseverfahren das Filtern des ermittelten Spannungsverlaufs mittels eines Tiefpassfilters, dessen Zeitkonstante in Abhängigkeit von physischen Eigenschaften der Brennstoffzelle gewählt ist, umfasst.
Ein Tiefpassfilter säubert das Signal des Spannungsverlaufs von Hochfrequenzanteilen, die bspw. durch Störeinflüsse erzeugt wurden.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Zeitbereich an einem Punkt beginnt, an dem der Spannungsverlauf nach Anwendung des doppelten Hochpasses sowie nach Anwendung des Tiefpasses von einem positiven Wert zu einem negativen Wert wechselt.
Um das Vorliegen der charakteristischen Erhöhung automatisch zu erkennen, hat sich die Vorgabe eines Zeitbereichs als vorteilhaft herausgestellt, der an einem Punkt des Spannungsverlaufs beginnt, bei dem der Spannungsverlauf negativ wird, d. h., von einem positiven Wert zu einem negativen Wert wechselt. Ausgehend von diesem Punkt kann der Zeitbereich gestartet werden.
Es kann vorgesehen sein, dass der Zeitbereich für eine vorgegebene Dauer anhält.
Nur für den Fall, dass die Erhöhung in einem vorgegebenen Zeitbereich von bspw. 2 Sekunden auftritt, kann von einem Defekt der Brennstoffzelle ausgegangen werden. Entsprechend schließt ein Zeitbereich vorgegebener Dauer eine falsch positive Erkennung bei einer zufälligen Erhöhung des Spannungssignals aus.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Diagnoseverfahren für jede Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems durchgeführt wird.
Um einen kompletten Brennstoffzellenstapel zu überprüfen, kann jede Brennstoffzelle des Brennstoffzellenstapels einzeln mittels des vorgestellten Diagnoseverfahrens überprüft werden. Alternativ können lediglich ausgewählte Brennstoffzellen, bspw. am Anfang und Ende des Brennstoffzellenstapels überprüft werden. So kann bspw. das Spannungssignal auch über eine, mehrere oder sämtlich Brennstoffzellen gemittelt und überprüft werden. Dabei können die Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellensystem oder mehreren Brennstoffzellensystemen gehören.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Diagnosesystem zur Diagnose eines Zustands einer Brennstoffzelle. Das vorgestellte Diagnosesystem umfasst eine Recheneinheit, und ein Spannungsmessgerät, das zum Messen einer an einer Brennstoffzelle anliegenden Spannung konfiguriert ist, wobei die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Diagnoseverfahrens durchzuführen. Für das Diagnosesystem zur Diagnose eines Zustands einer Brennstoffzelle gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung gelten die gleichen Vorteile, wie sie ausführlich zu dem Diagnoseverfahren zur Diagnose eines Zustands einer Brennstoffzelle gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind.
Unter einer Recheneinheit ist im Kontext der vorgestellten Erfindung ein Computer, ein Prozessor, ein Subprozessor, ein Steuergerät oder jeder weitere programmierbare Schaltkreis zu verstehen.
Unter einem Spannungsmessgerät ist im Kontext der vorgestellten Erfindung insbesondere ein sogenanntes „cell voltage meter“ zu verstehen. Das Spannungsmessgerät kann Teil eines jeweiligen Brennstoffzellensystems oder ein externes mit einer Brennstoffzelle verbindbares Spannungsmessgerät sein.
Das vorgestellte Diagnosesystem kann als Teil eines Brennstoffzellensystems ausgestaltet sein oder als externes System, das über eine Schnittstelle mit einem Brennstoffzellensystem verbindbar ist, um dieses zu überprüfen.
Es kann vorgesehen sein, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist einen Diagnosebetrieb einzustellen, mittels des Spannungsmessgeräts einen Spannungsverlauf der Brennstoffzelle zu ermitteln, mittels eines doppelten Hochpassfilters, dessen Zeitkonstante in Abhängigkeit von physischen Eigenschaften der Brennstoffzelle gewählt ist, den ermittelten Spannungsverlauf zu filtern, mittels eines Tiefpassfilters, dessen Zeitkonstante in Abhängigkeit von physischen Eigenschaften der Brennstoffzelle gewählt ist, den gefilterten Spannungsverlauf erneut zu filtern und eine Meldung auszugeben, die einen Defekt der Brennstoffzelle meldet, für den Fall, dass der Spannungsverlauf in einem vorgegebenen Zeitbereich über einem vorgegebenen Diagnoseschwellenwert liegt, wobei der Zeitbereich an einem Punkt des erneut gefilterten Spannungsverlaufs beginnt, an dem der Spannungsverlauf von einem positiven Wert zu einem negativen Wert wechselt und für eine vorgegebene Dauer anhält.
Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Brennstoffzellensystem zum Wandeln von Energie, wobei das Brennstoffzellensystem eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Diagnosesystems umfasst. Für das Brennstoffzellensystem gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung gelten die gleichen Vorteile, wie sie ausführlich zu dem Diagnoseverfahren zur Diagnose eines Zustands einer Brennstoffzelle gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung bzw. zu dem Diagnosesystem gemäß dem zweiten Aspekt Erfindung beschrieben worden sind.
Mittels des vorgestellten Diagnosesystems kann das vorgestellte Brennstoffzellensystem eine Selbstdiagnose durchführen.
Gemäß einem vierten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Computerprogrammprodukt, wobei das Computerprogrammprodukt Programmcodemittel umfasst, die eine Recheneinheit dazu konfigurieren eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Diagnoseverfahrens auszuführen, wenn diese auf einer Recheneinheit ausgeführt werden. Für das Computerprogrammprodukt gemäß dem vierten Aspekt der Erfindung gelten die gleichen Vorteile, wie sie ausführlich zu dem Diagnoseverfahren, dem Diagnosesystem sowie dem Brennstoffzellensystem gemäß den ersten drei Aspekten der Erfindung beschrieben worden sind.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Diagnoseverfahrens.
2 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellensystems mit einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Diagnosesystems.

In 1 ist ein Diagnoseverfahren 100 dargestellt. Das Diagnoseverfahren 100 umfasst einen Einstellungsschritt 101, bei dem ein Diagnosebetrieb eingestellt wird, indem eine vorgegebene Spannung von einer Brennstoffzelle angefordert wird, der bspw. zu einem Spannungsverlauf 107, wie in Diagramm 109 dargestellt, führt.
Ferner umfasst das Diagnoseverfahren 100 einen Ermittlungsschritt 103, bei dem ein Spannungsverlauf 107 der Brennstoffzelle ermittelt wird, wie durch Diagramm 109 dargestellt.
Ferner umfasst das Diagnoseverfahren 100 einen Ausgabeschritt 105, bei dem eine Meldung, die einen Defekt der Brennstoffzelle meldet, für den Fall ausgegeben wird, dass der Spannungsverlauf 107 in einem vorgegebenen Zeitbereich 121 über einem vorgegebenen Diagnoseschwellenwert von bspw. 0 V/s² liegt. Die Meldung kann bspw. als Flaggensignal gesetzt werden, wie in Diagramm 119 angedeutet.
Optional kann der Spannungsverlauf 107 mittels einer Anzahl Filter gefiltert werden, wie in Diagrammen 111 und 113 dargestellt. In Diagramm 111 wurde der Spannungsverlauf 107 mittels eines doppelten Hochpassfilters gefiltert, um das Signal 107 von einem Gleichanteil zu reduzieren und einen reinen dynamischen Anteil zu erhalten.
In Diagramm 113 wurde der Spannungsverlauf 107 zusätzlich tiefpassgefiltert. Eine Markierung 115 kennzeichnet, einen Punkt, an dem der Spannungsverlauf 107 von einem positiven Wert zu einem negativen Wert wechselt, sodass der Zeitbereich 121 dort anfängt für eine vorgegebene Dauer von bspw. 2 Sekunden zu laufen. Wenn, wie in Diagramm 113 durch Markierung 117 dargestellt, der Spannungsverlauf 107 innerhalb des Zeitbereichs von einem negativen Wert zu einem positiven Wert wechselt, kann von einem Defekt der Brennstoffzelle ausgegangen und eine entsprechende Fehlermeldung ausgegeben werden.
In 2 ist ein Brennstoffzellensystem 200 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 200 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 201, dessen Brennstoffzellen 203 mit einem Diagnosesystem 205 verbunden sind. Entsprechend kann das Diagnosesystem 205 die Brennstoffzellen 203 mittels des Diagnoseverfahrens 100 gemäß 1 überprüfen.

Claims

Diagnoseverfahren (100) zur Diagnose eines Zustands einer Brennstoffzelle (203), wobei das Diagnoseverfahren (100) umfasst: - Einstellen (101) eines Diagnosebetriebs, - Ermitteln (103) eines Spannungsverlaufs (107) der Brennstoffzelle (203), - Ausgeben (105) einer Meldung, die einen Defekt der Brennstoffzelle (203) meldet, für den Fall, dass der Spannungsverlauf (107) in einem vorgegebenen Zeitbereich (121) eine charakteristische Spannungsschwingung zeigt, insbesondere über einem vorgegebenen Diagnoseschwellenwert liegt.
Diagnoseverfahren (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Diagnoseverfahren (100) weiterhin umfasst: - Filtern des ermittelten Spannungsverlaufs (107) mittels eines doppelten Hochpassfilters, dessen Zeitkonstante in Abhängigkeit von physischen Eigenschaften der Brennstoffzelle (203) gewählt ist.
Diagnoseverfahren (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Diagnoseverfahren (100) weiterhin umfasst: - Filtern des ermittelten Spannungsverlaufs (107) mittels eines Tiefpassfilters, dessen Zeitkonstante in Abhängigkeit von physischen Eigenschaften der Brennstoffzelle (203) gewählt ist.
Diagnoseverfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitbereich an einem Punkt (115) beginnt, an dem der Spannungsverlauf von einem positiven Wert zu einem negativen Wert wechselt.
Diagnoseverfahren (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitbereich (121) für eine vorgegebene Dauer anhält.
Diagnoseverfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Diagnoseverfahren (100) für jede Brennstoffzelle (203) eines Brennstoffzellensystems (200) durchgeführt wird.
Diagnosesystem (205) zur Diagnose eines Zustands einer Brennstoffzelle (203), wobei das Diagnosesystem (205) umfasst: - eine Recheneinheit, und - ein Spannungsmessgerät, das zum Messen einer an mindestens einer Brennstoffzelle (203) mindestens eines Brennstoffzellensystems anliegenden Spannung konfiguriert ist, wobei die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, ein Diagnoseverfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 6 durchzuführen.
Diagnosesystem (205) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit dazu konfiguriert ist: - einen Diagnosebetrieb einzustellen, - mittels des Spannungsmessgeräts einen Spannungsverlauf der Brennstoffzelle (203) zu ermitteln, - mittels eines doppelten Hochpassfilters, dessen Zeitkonstante in Abhängigkeit von physischen Eigenschaften der Brennstoffzelle (203) gewählt ist, den ermittelten Spannungsverlauf zu filtern, - mittels eines Tiefpassfilters, dessen Zeitkonstante in Abhängigkeit von physischen Eigenschaften der Brennstoffzelle (203) gewählt ist, den gefilterten Spannungsverlauf erneut zu filtern, - eine Meldung auszugeben, die einen Defekt der Brennstoffzelle (203) meldet, für den Fall, dass der Spannungsverlauf in einem vorgegebenen Zeitbereich (121) negativ ist, wieder positiv wird und dann über einem vorgegebenen Diagnoseschwellenwert liegt, wobei der Zeitbereich (121) an einem Punkt (115) des erneut gefilterten Spannungsverlaufs beginnt, an dem der Spannungsverlauf von einem positiven Wert zu einem negativen Wert wechselt und für eine vorgegebene Dauer anhält.
Brennstoffzellensystem (200) zum Wandeln von Energie, wobei das Brennstoffzellensystem (200) ein Diagnosesystem (205) nach einem der Ansprüche 7 oder 8 umfasst.
Computerprogrammprodukt, wobei das Computerprogrammprodukt Programmcodemittel umfasst, die eine Recheneinheit dazu konfigurieren ein Diagnoseverfahren (100) nach einem der voranstehenden Ansprüche 1 bis 6 auszuführen, wenn diese auf einer Recheneinheit ausgeführt werden.