DE10127892B4 - Startsteuervorrichtung für ein Fahrzeug mit Brennstoffzelle - Google Patents

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Abstract

Startsteuervorrichtung für ein Fahrzeug mit Brennstoffzelle, umfassend:
– eine Brennstoffzelle (11) für die Zufuhr von elektrischer Energie zu einem Verbraucher;
– eine Energiespeichereinheit (12) zur Unterstützung der Energieeinspeisung des Verbrauchers und zum Speichern erzeugter Energie der Brennstoffzelle;
– eine Brennstoffzellen-Antriebsvorrichtung zur Zuleitung von Reaktionsgasen und zum Betreiben der Brennstoffzelle,
– wobei zum Zeitpunkt des Startens der Brennstoffzelle (11) die Energiespeichereinheit (12) elektrische Energie zu der Brennstoffzellen-Antriebsvorrichtung leitet,
– dadurch gekennzeichnet,
dass eine Strombegrenzungsvorrichtung (16b) die Brennstoffzelle (11) an der Abgabe eines Ausgangsstroms hindert, bis eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (11) eine vorgegebene Spannung erreicht,
wobei nach einem Anstieg der Ausgangsspannung über die vorgegebene Spannung die Strombegrenzungsvorrichtung (16b) den Ausgangsstrom der Brennstoffzelle (11) auf einen Wert unterhalb eines vorgegebenen Stromwerts begrenzt, bis eine Differenz zwischen der Ausgangsspannung Vfc der Brennstoffzelle (11) und einer Polspannung Vst der Energiespeichereinheit (12) eine vorgegebene Spannungsdifferenz ΔV erreicht.

Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Startsteuervorrichtung für ein Fahrzeug mit Brennstoffzelle und insbesondere ein Verfahren zum Starten der Brennstoffzelle in einer Hybrid-Energieversorgungseinheit, die mit einer Energiespeichereinheit zur Unterstützung der Energiezufuhr aus der Brennstoffzelle ausgestattet ist ( DE 198 10 468 A1 ).
  • Beschreibung des verwandten Standes der Technik
  • Man kennt ein übliches Hybrid-Energieerzeugungssystem mit Brennstoffzelle, welches eine Brennstoffzelle und eine Energiespeichereinheit wie z.B. eine Batterie oder einen Kondensator (elektrischer Doppelschichtkondensator) zur Kompensation des Leistungsabgabe-Ansprechverhaltens der mit einem Betriebsgas betriebenen Brennstoffzelle aufweist. Das Fahrzeug mit Brennstoffzelle hat einen Zellentyp, bei dem der Elektrolyt aus festem Polymer besteht, wobei diese Brennstoffzelle aus einer Vielzahl von Zellen zusammengesetzt ist, deren jede gebildet wird durch die Anordnung einer einer Ionenaustauschermembran entsprechenden Elektrolytmembran aus festem Polymer zwischen einer Anode und einer Kathode.
  • Bei dem vorgenannten üblichen Hybrid-Energieerzeugungssystem mit Brennstoffzelle wird zum Beispiel beim Starten der Brennstoffzelle zuerst Luft in ein Drucksteuerventil auf der Brennstoffseite geleitet, und die Brennstoffelektrode wird in Abhängigkeit von dem in das Drucksteuerventil gespeisten Luftdruck mit Betriebsgas versorgt.
  • Also liefert die Energiespeichereinheit vor dem Starten der Brennstoffzelle elektrische Antriebsenergie zu dem Kompressor, der Luft zuführt. Außer an die Hilfsgeräte für das Betreiben der Brennstoffzelle liefert diese Energiespeichereinheit auch elektrische Energie an den Motor für den Antrieb des Fahrzeugs, wenn das Fahrzeug unmittelbar nach dem Start der Brennstoffzelle startet, so daß die in der Energiespeichereinheit gespeicherte Energie und die Spannung zwischen den Polen der Energiespeichereinheit reduziert werden.
  • Wenn die Brennstoffzelle mit der Energiespeichereinheit, deren Spannung zwischen den Polen reduziert wurde, verbunden wird, kommt es rasch zu einem starken Stromfluß von der Brennstoffzelle zur Energiespeichereinheit. Im Zuge der Überführung der Spannung zwischen beiden Polen der Brennstoffzelle und der Energiespeichereinheit in einen Gleichgewichtszustand wird die Spannung zwischen den beiden Polen der Brennstoffzelle reduziert. Dann besteht die Gefahr, daß die Brennstoffzelle Wasserstoff oder den Wassergehalt in der Elektrolytfolie aus festem Polymer verliert oder daß sich die Lebensdauer der Brennstoffzelle verringert.
  • Die DE 198 10 468 A1 zeigt eine derartige Schaltungsanordnung mit Brennstoffzelle und Akkumulator gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, bei der beim Startvorgang der Brennstoffzelle die Energieversorgung von Hilfsaggregaten der Brennstoffzelle über den Akkumulator erfolgt.
  • Außerdem ist aus der DE 196 20 458 A1 ein System zur Begrenzung der Ausgangsgröße einer Brennstoffzelle bekannt, bei dem abhängig von den Betriebsbedingungen einer Brennstoffzelle die Ausgangsgröße der Brennstoffzelle unter einen kritischen Wert begrenzt wird, um eine Verschlechterung des Brennstoffzellenverhaltens aufgrund von Brennstoffmangel zu vermeiden.
    •
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen und eine Startsteuervorrichtung für ein Fahrzeug mit Brennstoffzelle zu schaffen, die in der Lage ist, eine übermäßige Reduzierung der Spannung zwischen den beiden Polen der Brennstoffzelle zu verhindern.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die vorliegende Erfindung eine Startsteuervorrichtung für ein Fahrzeug mit Brennstoffzelle gemäß Anspruch 1 vor, umfassend: eine Brennstoffzelle, die elektrische Energie an einen Verbraucher liefert; eine Energiespeichereinheit zur Unterstützung der Speisung dieses Verbrauchers mit elektrischer Energie und zum Speichern erzeugter Energie der Brennstoffzelle; eine Antriebsvorrichtung für die Brennstoffzelle zur Zufuhr von Reaktionsgasen und zum Antrieb der Brennstoffzelle und eine Strombegrenzungsvorrichtung zur Begrenzung des Ausgangsstroms der Brennstoffzelle, wobei beim Starten der Brennstoffzelle die Energiespeichereinheit elektrische Energie zur Antriebsvorrichtung der Brennstoffzelle liefert und die Strombegrenzungsvorrichtung einerseits verhindert, daß die Brennstoffzelle einen Ausgangsstrom abgibt, ehe die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle eine vorgegebene Spannung erreicht, und andererseits nach einem Anstieg der Ausgangsspannung über die vorgegebene Spannung den Ausgangsstrom aus der Brennstoffzelle auf einen Stromwert unter einem vorgegebenen Wert begrenzt, bis die Differenz zwischen der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle und der Polspannung der Energiespeichereinheit eine vorgegebene Spannungsdifferenz erreicht.
    •
  • FIGURENKURZBESCHREIBUNG
  • 1 ist ein Diagramm, das die Konstruktion eines Fahrzeugs mit Brennstoffzelle zeigt, wobei dieses Fahrzeug mit einer Startsteuervorrichtung versehen ist;
  • 2 ist ein Diagramm, das den hauptsächlichen Aufbau einer Startsteuervorrichtung für das Fahrzeug mit Brennstoffzelle von 1 zeigt;
  • 3 ist ein Zustandsschaubild eines Gleichstromzerhackers;
  • 4 ist ein Betriebsablaufdiagramm der Startsteuervorrichtung des Fahrzeugs mit Brennstoffzelle von 1;
  • 5 ist eine graphische Darstellung der zeitabhängigen Änderung einer Ausgangsspannung Vfc und eines Ausgangsstroms Ifc der Brennstoffzelle, einer Polspannung Vst der Energiespeichereinheit und eines Schaltzustands des Hochspannungsschalters.
  • DETAILBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Im Folgenden wird eine Ausführungsform einer Startsteuereinrichtung für ein Fahrzeug mit Brennstoffzelle unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben. 1 zeigt in einem Diagramm die Konstruktion eines Brennstoffzellen-Fahrzeugs mit einer Startsteuervorrichtung. Das Diagramm von 2 zeigt den hauptsächlichen Aufbau einer Startsteuervorrichtung für das Fahrzeug mit Brennstoffzelle gemäß 1, und 3 ist ein Zustandsschaubild eines Gleichstromzerhackers.
  • Ein Brennstoffzellen-Fahrzeug 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist versehen mit einer Hybrid-Energieversorgungseinheit mit einer Brennstoffzelle 11 und mit einer Energiespeichereinheit 12, und einem Antriebsmotor 13 für den Antrieb des Fahrzeugs. Der Antriebsmotor erzeugt Antriebskraft, indem er von der Energieversorgungseinheit Energie bezieht. Die von dem Motor erzeugte Antriebskraft wird durch ein Getriebe T/M, welches entweder ein Automatikgetriebe oder ein Schaltgetriebe ist, auf die Antriebsräder übertragen. Wenn während einer Verzögerung des Brennstoffzellenfahrzeugs die Antriebskraft von den Antriebsrädern zum Antriebsmotor 13 übertragen wird, arbeitet der Antriebsmotor als Generator und erzeugt eine sogenannte regenerative Bremskraft, und die kinetische Energie des Fahrzeugs wird als elektrische Energie zurückgewonnen.
  • Eine Startsteuervorrichtung 10 für ein Fahrzeug mit Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Ausführungsform umfaßt zum Beispiel eine Brennstoffzelle 11, eine Energiespeichereinheit 12, einen Antriebsmotor 13, eine PDU 14 (Power Drive Unit = Motorantriebseinheit), einen Luftverdichter 15 als eines der Hilfsgeräte der Brennstoffzelle, einen primären Vorladebereich 16, einen sekundären Vorladebereich 17 und eine ECU 18.
  • Der Antriebsmotor 13 ist ein Permanentmagnet-Dreiphasen-Wechselstrommotor, der als Feldsystem einen Permanentmagneten nutzt, und der Antriebsmotor wird durch einen von der PDU 14 gelieferten Dreiphasen-Wechselstrom gesteuert.
  • Die PDU 14 ist mit einem PWM-(Pulse width modulation = Impulsbreitenmodulation)-Inverter versehen, der durch ein Schaltelement wie z.B. ein IGBT (Insulated Gate Bipolar Transitor) und dergleichen gebildet wird, und die PDU 14 wandelt eine von der Brennstoffzelle 11 und der Energiespeichereinheit 12 abgegebene Gleichspannung in einen Dreiphasen-Wechselstrom um, der dem Antriebsmotor 13 zuzuführen ist.
  • Die Brennstoffzelle 11 besteht aus einem Zellenpaket, wobei jede Zelle des Zellenpakets gebildet wird, indem beide Seitenflächen einer Elektrolytfolie aus festem Polymer sandwichartig zwischen einer Anode und einer Kathode aufgenommen werden, und sie enthält eine Wasserstoffelektrode, an der Wasserstoff als Brennstoff zuströmt, und eine Luftelektrode, an der sauerstoffhaltige Luft als Oxidationsmittel zuströmt. Die Brennstoffzelle 11 ist derart beschaffen, daß durch eine katalytische Reaktion an der Anode erzeugte Wasserstoffionen durch die Elektrolytfolie aus festem Polymer wandern und zur Kathode gelangen, wo die Wasserstoffionen durch eine elektrochemische Reaktion mit Sauerstoff elektrische Leistung erzeugen.
  • Ein Bennstoff-Zufuhrbereich 21, der mit der Brennstoffelektrodenseite der Brennstoffzelle 11 verbunden ist, enthält einen Drucksteuerabschnitt 22 für die Zufuhr von Wasserstoffgas bei atmosphärischem Druck in Abhängigkeit von einem Steuersignal aus der ECU 18 oder in Abhängigkeit von Luftdruck, der als Signaldruck von einem Luftverdichter 15 zugeführt wird.
  • Der mit der Luftelektrodenseite der Brennstoffzelle 11 verbundene Luftverdichter 15 liefert nicht nur Luft zur Luftelektrode, sondern liefert auch Luft als Signaldruck für den Drucksteuerabschnitt 22, der von einem Druckstromventil gebildet wird. Zur Durchführung des vorstehenden Vorgangs wird eine Solldrehzahl N des Motors zur Steuerung der Drehzahl des den Luftverdichter 15 antreibenden Motors in einen Steuerabschnitt 23 des Luftverdichters 15 eingegeben.
  • Die Energiespeichereinheit 12 ist ein Kondensator wie z.B. ein elektrischer Doppelschichtkondensator oder eine elektrolytischer Kondensator. Außerdem sind die Brennstoffzelle 11 und die Energiespeicherein heit 12 mit dem einen Verbraucher darstellenden Antriebsmotor 13 parallel geschaltet.
  • 2 ist ein Diagramm zur Darstellung des wesentlichen Aufbaus einer Steuervorrichtung zum Starten eines in 1 dargestellten Fahrzeugs mit Brennstoffzelle. Die Steuervorrichtung soll eine übermäßige Reduzierung der Polspannung der Brennstoffzelle zum Zeitpunkt des Startens der Brennstoffzelle verhindern.
  • Ein primärer Vorladebereich 16 befindet sich auf der Ausgangsseite der Energiespeichereinheit 12, während ein sekundärer Vorladebereich 17 auf der Ausgangsseite der Brennstoffzelle 11 vorgesehen ist.
  • Wie 2 zeigt, wird der primäre Vorladebereich 16 von einem Hochspannungsschalter 16a und einem Strombegrenzer 16b gebildet, und wenn der dem Antriebsmotor 13 als Verbraucher zuzuführende Strom groß wird, wird der Hochspannungsschalter 16a geöffnet und man läßt den Strom durch einen Widerstand 16c mit vorgegebenem Widerstandswert fließen, indem der Strombegrenzer 16b geschlossen wird.
  • Daher ist der Hochspannungsschalter 16a mit Relais versehen, die an die jeweiligen Ausgangsklemmen der positiven und der negativen Elektrode angeschlossen sind und durch ein Steuersignal aus der ECU 18 zum Öffnen und Schließen des Hochspannungsschalters 16a gesteuert werden.
  • Der Strombegrenzer 16b hat Relais, die mit dem Hochspannungsschalter 16a parallel geschaltet sind und ebenfalls an die jeweiligen Ausgangsklemmen der positiven und der negativen Elektrode angeschlossen sind, und einen Widerstand 16c mit einem vorgegebenen Wider standswert, so daß der von der Energiespeichereinheit 12 abgegebene Strom durch den Widerstand 16a der PDU 14 zugeführt wird.
  • Der zweite Vorladebereich 17 wird von einem Gleichstromzerhacker (engl.: DC-DC chopper) 17a und einem Steuerabschnitt 17b gebildet und steuert den Ausgangsstrom Ifc der Brennstoffzelle 11 basierend auf dem Sollstromwert IFCCMD, d.h. dem Befehl an die Brennstoffzelle 11 zur Energieerzeugung.
  • Wie 3 zeigt, steuert der Gleichstromzerhacker 17a den AN/AUS-Betrieb eines Transistors TR durch Zuleiten eines Impulsstroms zur Basis des Transistors TR zum Beispiel von dem Steuerabschnitt 17b. Der Steuerabschnitt 17b steuert den Ausgangsstrom durch Ändern des Tastverhältnisses des Impulsstroms derart, daß sich der AUS-Zustand des Transistors TR mit zunehmendem Ausgangsstrom verlängert.
  • Zu beachten ist, daß zwischen dem primären Vorladebereich 16 und dem sekundären Vorladebereich 17 eine Diode angeordnet ist, die verhindert, daß ein Gegenstrom von der Energiespeichereinheit 12 zur Brennstoffzelle 11 fließt.
  • Darüber hinaus ist der Steuerabschnitt 23 des Luftverdichters 15, wie in 1 gezeigt, außer mit der PDU 14 über den zweiten Vorladebereich 17 auch mit der Brennstoffzelle 11 parallel geschaltet.
  • Eine 12-Volt-Hilfsbatterie 24 zum Betreiben verschiedener Steuergeräte und Zubehörteile des Fahrzeugs mit Brennstoffzelle hat zum Beispiel einen Gleichstromwandler 25, der nach der Reduzierung der von der Brennstoffzelle gelieferten Gleichspannung die Hilfsbatterie 24 durch den sekundären Vorladebereich 17 lädt.
  • Zudem ist eine Steuervorrichtung 27 eines Motors 26 für den Betrieb einer Klimaanlage über den zweiten Vorladebereich 17 mit der Brennstoffzelle 11 parallel geschaltet, und die elektrische Steuervorrichtung 27 wandelt die von der Brennstoffzelle 11 und von der Energiespeichereinheit 12 abgegebene Gleichstromenergie in Wechselstrom für die Speisung des Motors 26 um.
  • Die ECU 18 wird zum Beispiel gebildet von einer Motor-ECU 31, einem Brennstoffzellen-Steuerabschnitt 32 und einem Steuerabschnitt 33 für die Energiespeichereinheit.
  • Die Motor-ECU 31 steuert den Vorgang der Energieumwandlung des in der PDU 14 vorgesehen PWM-Inverters und gibt Schaltkommandos aus, wie beispielsweise einen U-Phasen-Wechselspannungs-Sollwert *Vu, einen V-Phasen-Wechselspannungs-Sollwert *Vv und einen W-Phasen-Wechselspannungs-Sollwert *Vw. Die Motor-ECU 31 veranlaßt dann, daß die PDU 14 einen U-Phasenstrom Iu, einen V-Phasenstrom Iv und einen W-Phasenstrom Iw in Abhängigkeit von diesen Sollspannungswerten *Vu, *Vv und *Vw an die jeweiligen Phasen des Antriebsmotors 11 ausgibt.
  • Die Motor-ECU 31 akzeptiert verschiedene Eingangssignale, wie z.B. das Betriebsgrößensignal θTh des Gaspedals, das sich auf den Grad der Gaspedalbetätigung durch den Fahrer bezieht, ein Signal der Magnetpolposition (elektrischer Winkel), das von einem zur Erfassung der Magnetpolposition in dem Antriebsmotor vorgesehenen Winkelgeschwindigkeitsfühler 35 ausgegeben wird, Signale der jeweiligen von der PDU 14 zu dem Antriebsmotor 11 gelieferten Phasenströme Iu, Iv und Iw, ein Signal des Motorstroms Imotor als eine Gleichstromkomponente und ein Signal einer an die PDU 14 gelieferten Versorgungsspannung Vdc-in.
  • Der Brennstoffzellen-Steuerabschnitt 32 gibt die Solldrehzahl N als Kommando zum Starten der Hilfsgeräte wie beispielsweise des Luftverdichters 15 für den Betrieb der Brennstoffzelle aus und steuert auch den Betrieb des primären und des sekundären Vorladebereichs 16 und 17. Das heißt, der Brennstoffzellen-Steuerabschnitt 32 steuert den Betrieb der Kontaktpunkte von Relais, die in dem Hochspannungsschalter 16a und in dem Stromregler 16b des primären Vorladebereichs 16 angeordnet sind. Der Brennstoffzellen-Steuerabschnitt 32 gibt auch einen Sollstromwert IFCCMD als Schaltkommando an den Gleichstromzerhacker 17a des sekundären Vorladebereichs 17 aus.
  • Der Brennstoffzellen-Steuerabschnitt 32 akzeptiert verschiedene Eingangssignale, z.B. ein Ausgangsleistungssignal *P für den Antriebsmotor 13 und einen Ausgangswert P des Antriebsmotors 13, ein von dem Steuerabschnitt 23 ausgegebenes Signal eines Motorstroms Is/c eines Motors für den Antrieb des Luftverdichters 15, ein Signal des Ausgangsstroms Ifc und der Ausgangsspannung Vfc der Brennstoffzelle 11, die beide von dem zweiten Vorladebereich 17 ausgegeben werden, ein von dem Gleichspannungszerhacker 17a des sekundären Vorladebereichs 17 ausgegebenes Gleichspannungssignal und ein Signal eines Ausgangsstromwerts Iout-Total von dem Stromdetektor 36, der zwischen dem primären und dem sekundären Vorladebereich 16 und 17 angeordnet ist.
  • Der Steuerabschnitt 33 der Energiespeichereinheit errechnet zum Beispiel den Ladezustand (SOC) der Energiespeichereinheit 12 und liefert das Ergebnis an die Motor-ECU 31 und an den Steuerabschnitt 32 der Brennstoffzelle.
  • Damit der oben beschriebene Vorgang durchgeführt werden kann, akzeptiert die Energiespeichereinheit 33 Signale, die sich zum Beispiel auf einen Ausgangsstrom Ist, eine Spannung Vst zwischen den Polen und auf eine Temperatur der Energiespeichereinheit 12 beziehen.
  • Das heißt, daß die die Strombegrenzung des primären und des sekundären Vorladebereichs 16 und 17 steuernde ECU 18, wie in 2 gezeigt, verschiedene Signale akzeptiert, so z.B. ein Signal aus einem ersten Stromdetektor 41, der den Ausgangsstrom Ist der Energiespeichereinheit 12 erfaßt, ein Signal aus dem ersten Spannungsdetektor 42, der die Polspannung Vst zwischen den Polen der Energiespeichereinheit 12 erfaßt, ein Signal aus einem zweiten Stromdetektor 43, der einen Ausgangsstrom Ifc der Brennstoffzelle 11 erfaßt, ein Signal aus einem zweiten Spannungsdetektor 44, der die Ausgangsspannung Vfc der Brennstoffzelle 11 erfaßt, und ein Signal aus einem dritten Spannungsdetektor 45, der eine Motorspannung VMOT des Antriebsmotors 13 erfaßt.
  • Die Startsteuervorrichtung 10 für das Fahrzeug mit Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist wie vorstehend beschrieben beschaffen und ihre Funktionen, nämlich insbesondere die der Strombegrenzungssteuerung des primären und des sekundären Vorladebereichs 16 und 17, werden nachstehend anhand der anliegenden Zeichnungen beschrieben.
  • 4 ist ein Betriebsablaufdiagramm der Startsteuervorrichtung 10 des Fahrzeugs mit Brennstoffzelle, und die graphische Darstellung in
  • 5 zeigt die Änderung der Ausgangsspannung Vfc und des Ausgangsstroms Ifc der Brennstoffzelle 11 und die Polspannung Vst der Energiespeichereinheit 12 sowie den Schaltzustand des Hochspannungsschalters 16a.
  • Beim Anlassen des Fahrzeugs zum Beispiel ist die gegenseitige Verbindung zwischen der Brennstoffzelle 11, der Energiespeichereinheit 12 und der PDU 14 unterbrochen, weshalb die Werte von Ausgangsspannung Vfc, Polspannung Vst und Motorspannung VMOT jeweils individuell und voneinander verschieden sind.
  • Zunächst wird in Schritt S01 von 4 eine Strombegrenzungssteuerung durch den primären Vorladebereich 16 durchgeführt. Das heißt, der Kontakt eines jeden Relais des Hochspannungsschalters 16a wird geöffnet und der Kontakt eines jeden Relais in dem Strombegrenzer 16b derart betätigt, daß der Strom von der Energiespeichereinheit 12 über einen Widerstand 16c abgegeben wird.
  • Anschließend wird in Schritt S02 der Kontakt des Hochspannungsschalters 16a betätigt, nachdem die Motorspannung VMOT und die Polspannung Vst den Gleichgewichtszustand erreicht haben, das heißt einen Zustand, in dem VMOT ≒ Vst.
  • Dann werden in Schritt S03 die Kontakte sämtlicher Relays des Stromreglers bzw. des Strombegrenzers geöffnet. Auf diese Weise wird von der Energiespeichereinheit 12 über den Hochspannungsschalter 16a Strom abgegeben und ein Zustand erreicht, bei dem beispielshalber gilt: VMOT ≒ Vst ≠ Vfc.
  • Danach wird in Schritt S04 die Brennstoffzelle 11 in Betrieb gesetzt. Das heißt, der Luftverdichter 15, der Luft nicht nur zur Elektrode der Brennstoffzelle 11 leitet, sondern als Signaldruck für die Brennstoffzufuhr zur Brennstoffzelle auch zum Drucksteuerabschnitt 22, wird gestartet. Dadurch wird die Energie aus der Energiespeichereinheit 12 schrittweise reduziert.
  • In Schritt S06 wird anschließend bestimmt, ob ein durch Subtrahieren der Polspannung Vst der Brennstoffzelle 11 von der Ausgangsspannung Vfc der Brennstoffzelle 11 ermittelter Wert höher ist als eine vorgegebene Spannungsdifferenz ΔV.
  • Falls "JA", folgt Schritt S07, wo die Verfahrensschritte zur Stromsteuerung nach Schritt S05 durchlaufen werden, indem der von dem Gleichstromzerhacker 17a abgegebene Strom auf einen Wert unterhalb des vorgegebenen Werts begrenzt wird.
  • Lautet das Ergebnis der Bestimmung in Schritt S06 dagegen "NEIN", wird der Ablauf fortgesetzt zu Schritt S08, wo ein Übergangssteuermodus eingestellt, d.h. der von dem Gleichstromzerhacker 17a des sekundären Vorladebereichs 17 abgegebene elektrische Strom auf einen Wert eingestellt wird, welcher der Menge des der Brennstoffzelle 11 zuzuführenden Wasserstoffgases und der zuzuführenden Luft entspricht. Damit ist die Folge von Steuerabläufen komplett.
  • Das heißt zum Beispiel, daß es beim Steuern des Ausgangsstroms Ifc der Brennstoffzelle 11 durch den Gleichstromzerhacker 17a des zweiten Vorladebereichs 17 möglich ist, wie in 5 gezeigt, die Zeit einzustellen, die benötigt wird, damit die Ausgangsspannung Vfc der Brennstoffzelle 11 und die Polspannung Vst der Energiespeichereinheit 12 die Gleichgewichtsspannungen (VMOT ≒ Vst ≒ Vfc) erreichen, indem das Tastverhältnis des in den Gleichstromzerhacker 17a eingegebenen Schaltkommandos geändert wird.
  • Gemäß der Startsteuervorrichtung für Fahrzeuge mit Brennstoffzelle erfolgt die Stromabgabe der Energiespeichereinheit 12 beim Starten der Brennstoffzelle 11 wie vorstehend beschrieben über einen Widerstand 16c durch den auf der Ausgangsseite der Energiespeichereinheit 12 angeordneten primären Vorladebereich 16, und es wird die Entstehung von Einschaltstromspitzen verhindert, die einer schnell fließenden hohen Strommenge in einem Kondensator (z.B. ein elektrolytischer Kondensator wie in 1) entsprechen, der in dem Steuerabschnitt 23 der PDU 14 oder des Luftverdichters 15 oder aber auf der Eingangsseite des Gleichstromwandlers 25 angeordnet ist.
  • Nachdem sich die abnehmerseitige Spannung der Motorspannung VMOT in etwa an die Polspannung Vst angeglichen hat, läßt sich durch die Begrenzung des Ausgangsstroms Ifc der Brennstoffzelle 11 über den sekundären Vorladebereich 17 zudem vermeiden, daß eine hohe Strommenge mit hoher Geschwindigkeit zur Energiespeichereinheit 12 fließt, deren Polspannung Vst durch die Stromspeisung von Hilfsgeräten, z.B. der Luftverdichter 15, für den Betrieb der Brennstoffzelle reduziert wird, weshalb eine übermäßige Reduzierung der Ausgangsspannung Vfc der Brennstoffzelle 11 im Verlauf der Umformung der Polspannung Vst der Energiespeichereinheit 12 in eine Gleichgewichtsspannung verhindert werden kann.
  • Darüber hinaus erlaubt die Verwendung eines Gleichstromzerhackers 17a in dem zweiten Vorladebereich 17 eine problemlose Steuerung des Ausgangsstroms der Brennstoffzelle 11, indem das Tastverhältnis des für die Steuerung des Zerhackvorgangs zugeführten Impulsstroms geändert wird, und während eine übermäßige Reduzierung der Ausgangsspannung Vfc der Brennstoffzelle 11 verhindert wird, ist es auch möglich, die Zeit zu verringern, die notwendig ist, damit die Ausgangsspannung Vfc der Brennstoffzelle 11 und die Polspannung der Energiespeichereinheit 12 eine Gleichgewichtsspannung erreichen.
  • Selbst wenn die Differenz zwischen der Ausgangsspannung Vfc der Brennstoffzelle 11 und der Polspannung Vst der Energiespeichereinheit groß ist, ist die Verwendung eines Gleichstromzerhackers 17a gemäß vorliegender Ausführungsform weitaus vorteilhafter als die Verwendung eines Kontaktschaltsystems wie in dem primären Vorladebereich 16 zur Stromabgabe über den Widerstand 16c, der die Kontakte zur Änderung des Stromweges des Ausgangsstroms ändert. Der Grund dafür ist, daß man bei einem Gleichstromzerhacker nicht wie bei einer Schaltvorrichtung befürchten muß, daß sich als Folge von Lichtbogenbildung an den Kontakten eine Fehlfunktion beim Auslösen der Kontakte einstellt.
  • In der vorliegenden Ausführungsform wird als Zerhackersystem ein Gleichstromzerhacker als Strombegrenzungsschaltung verwendet, doch sind auch andere Systeme denkbar, wobei z.B. als eine Variante eine Transistor-Strombegrenzungsschaltung oder eine Verarmungs-FET-Strombegrenzungsschaltung verwendet werden können.
  • Wie vorstehend beschrieben, ist ein erster Aspekt der Erfindung die Bereitstellung einer Startsteuervorrichtung für Fahrzeuge mit Brennstoffzelle, die in der Lage ist, eine schnelle Reduzierung der Polspannung der Brennstoffzelle zu verhindern, indem eine Strombegrenzungsvorrichtung für die Begrenzung des Ausgangsstroms zum Zeitpunkt des Startens der Brennstoffzelle vorgesehen wird.
  • Das heißt, der Zufluß hohen Stroms von der Brennstoffzelle zur Energiespeichereinheit, deren Polspannung durch den Energieverbrauch für den Antrieb der Brennstoffzelle reduziert wurde, kann verhindert werden. Während der begrenzte Strom die Energiespeichereinheit schrittweise auflädt, werden die Polspannung der Energiespeichereinheit und die Polspannung der Brennstoffzelle schrittweise in eine Gleichgewichtsspannung umgeformt. Dadurch wird verhindert, daß Wasserstoff oder der Wassergehalt verdampfen oder daß sich die Lebensdauer der Brennstoffzelle verringert. Die erfindungsgemäße Steuervorrichtung trägt somit wesentlich zur Verlängerung der Lebensdauer der Brennstoffzelle bei.
  • Kurz zusammengefaßt betrifft die Erfindung eine Startsteuervorrichtung für ein Fahrzeug mit Brennstoffzelle, die in der Lage ist, eine übermäßige Reduzierung der Polspannung der Brennstoffzelle zu verhindern. Ein primärer Vorladebereich 16 mit einem Hochspannungsschalter 16a und einem Strombegrenzer 16b ist am Ausgangsbereich der Energiespeichereinheit 12 angeordnet, und ein sekundärer Vorladebereich 17 mit einem Gleichstromzerhacker 17a und einem Steuerabschnitt 17b befindet sich auf der Ausgangsseite der Brennstoffzelle 11. Der primäre Vorladebereich 16 steuert den Ausgangsstrom derart, daß dieser den Weg über den Widerstand 16c nimmt, der einen vorgegebenen Widerstandswert aufweist. Der sekundäre Vorladebereich 17 steuert den Ausgangsstrom Ifc der Brennstoffzelle auf der Basis eines Sollstromwerts IFCCMD für die Brennstoffzelle 11.

Claims (1)

  1. Startsteuervorrichtung für ein Fahrzeug mit Brennstoffzelle, umfassend: – eine Brennstoffzelle (11) für die Zufuhr von elektrischer Energie zu einem Verbraucher; – eine Energiespeichereinheit (12) zur Unterstützung der Energieeinspeisung des Verbrauchers und zum Speichern erzeugter Energie der Brennstoffzelle; – eine Brennstoffzellen-Antriebsvorrichtung zur Zuleitung von Reaktionsgasen und zum Betreiben der Brennstoffzelle, – wobei zum Zeitpunkt des Startens der Brennstoffzelle (11) die Energiespeichereinheit (12) elektrische Energie zu der Brennstoffzellen-Antriebsvorrichtung leitet, – dadurch gekennzeichnet, dass eine Strombegrenzungsvorrichtung (16b) die Brennstoffzelle (11) an der Abgabe eines Ausgangsstroms hindert, bis eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (11) eine vorgegebene Spannung erreicht, wobei nach einem Anstieg der Ausgangsspannung über die vorgegebene Spannung die Strombegrenzungsvorrichtung (16b) den Ausgangsstrom der Brennstoffzelle (11) auf einen Wert unterhalb eines vorgegebenen Stromwerts begrenzt, bis eine Differenz zwischen der Ausgangsspannung Vfc der Brennstoffzelle (11) und einer Polspannung Vst der Energiespeichereinheit (12) eine vorgegebene Spannungsdifferenz ΔV erreicht.
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