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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität und den Nutzen der koreanischen Patentanmeldung Nr.
KR 10 2006 0 099 024 A eingereicht beim koreanischen Amt für geistliches Eigentum am 11. Oktober 2006.
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Die Erfindung betrifft ein Spannungsversorgungssystem eines Hybridbrennstoffzellen-Busses und ein Steuerungsverfahren dafür, und insbesondere ein Spannungsversorgungssystem eines Hybridbrennstoffzellenbusses, der eine Brennstoffzelle und einen Superkondensator verwendet, welcher eine Energiespeicherungsvorrichtung ist, die mit der Brennstoffzelle als Spannungsquelle gekoppelt ist, und ein Steuerungsverfahren dafür.
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Eine Brennstoffzelle ist eine Vorrichtung, die chemische Energie eines Brennstoffs durch eine elektrochemische Reaktion direkt in elektrische Energie umwandelt. Da solch eine Brennstoffzelle eine hohe Effizienz und nur geringe Emissionen aufweist, wurden Brennstoffzellenfahrzeuge entwickelt, die eine Brennstoffstelle als Leistungsquelle verwenden.
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Eine Brennstoffzelle eines Fahrzeugs verwendet Wasserstoffgas als Brennstoff. Wasserstoffgas wird an einer Anode in Wasserstoffprotonen und Elektronen zersetzt, und Wasserstoffprotonen passieren ein Elektrolyt, um sich zu einer Kathode zu bewegen, und reagieren an der Kathode mit Sauerstoff zusammen mit einem von einem externen Kreis gelieferten Elektron, um so Wasser zu erzeugen. Der Elektronenfluss durch den externen Kreis wird als elektrische Leistungsquelle verwendet.
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Die meisten Brennstoffzellenfahrzeuge sind Hybridfahrzeuge, die eine Energiespeicherungsvorrichtung, wie zum Beispiel eine Hochspannungsbatterie oder einen Superkondensator, zusammen mit einer Brennstoffzelle verwenden. Da der Superkondensator verschiedene Vorteile hat, wird der Superkondensator in letzter Zeit weitreichend als Energiespeichervorrichtung verwendet.
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Außerdem ist ein Brennstoffzellenfahrzeug mit einer Niederspannungshilfsquelle als eine Hilfsspannungsquelle versehen. Die Hilfsbatterie liefert Energie zu Teilen, die das Starten des Fahrzeugs betreffen, beispielsweise das Starten einer Brennstoffzelle. Damit die Brennstoffzelle elektrische Leistung erzeugt, sollten im Vorlauf ein Brennstoffzuführungssystem, wie zum Beispiel Wasserstoff und Sauerstoffzuführungssystem, und verschiedene Steuereinheiten in Betrieb sein.
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Soweit, Hybridbrennstoffzellenfahrzeuge wurden hauptsächlich als Fahrzeuge geringer Größe entwickelt, wie zum Beispiel ein Personenkraftwagen. Jedoch wurde in letzter Zeit ein Hybridbrennstoffzellensystem für ein großes Fahrzeug entwickelt, das eine hohe Ausgangsleistung erfordert, wie zum Beispiel ein Bus.
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Da jedoch ein herkömmliches Brennstoffzellenfahrzeug oder ein herkömmliches Hybridbrennstoffzellenfahrzeug als kleines Fahrzeug entwickelt wurde, sind elektrische Teile, die den Betrieb der Brennstoffzelle betreffen, derart gestaltet, dass sie eine 12 V Hilfsbatterie verwenden (aufgrund von automatischen Spannungskriterien), und Steuerlogiken verschiedener Steuereinheiten sind darauf zugeschnitten.
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Da jedoch ein herkömmlicher Verbrennungsmotorbus eine 24 V Hilfsbatterie benutzt (aufgrund automatischer Spannungskriterien), sind verschiedene elektrische Teile dazu gestaltet, eine 24 V Hilfsbatterie zu verwenden.
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Demgemäß gibt es bei der Entwicklung Hybridbrennstoffzellenbusses ein Problem einer Neugestaltung verschiedener elektrischer Teile sowie eines Brennstoffzellensystems. Das heißt, es gibt ein Problem darin, dass elektrische 12 V Teile, die in dem Brennstoffzellenfahrzeug verwendet werden, neugestaltet werden sollten oder dass elektrische 24 V Teile eines herkömmlichen internen Verbrennungsmotorbusses ausgetauscht werden müssen.
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Die Druckschrift
US 2003 / 0 118 876 A1 zeigt ein Energieversorgungssystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, das ein Brennstoffzellensystem, einen Kondensator und eine sekundäre Batterie aufweist, wobei das Brennstoffzellensystem und der Kondensator parallelgeschaltet sind. Eine weitere Möglichkeit zur Ausgestaltung eines Energieerzeugungs- und Verteilungssystems zeigt die Druckschrift
US 2002 / 0 109 406 A1 .
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Die Erfindung wurde während Bemühungen gemacht, ein Spannungsversorgungssystem eines Hybridbrennstoffzellenbusses und ein Steuerungsverfahren dafür bereitzustellen, die Vorteile des Minimierens von Designveränderungen verschiedener Teile, die für unterschiedliche Batteriespannungen gestaltet wurden, aufweisen.
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Ferner wurde die Erfindung während Bemühungen gemacht, ein Spannungsversorgungssystem eines Hybridbrennstoffzellenbusses und Steuerungsverfahren dafür bereitzustellen, die Vorteile der Fähigkeit des Verwendens eines elektrischen 12 V Teils eines älteren Brennstoffzellenfahrzeugs und eines elektrischen 24 V Teils eines internen Verbrennungsmotors haben, um so die Zeit und die Kosten für das Entwickeln eines Hybridbrennstoffzellenbussystems zu minimieren.
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Ferner wurde die vorliegende Erfindung während Bemühungen gemacht, ein Spannungsversorgungssystem eines Hybridbrennstoffzellenbusses und ein Steuerungsverfahren dafür bereitzustellen, die Vorteile eines effizienten Betriebs eines hybriden Systems eines Superkondensators und einer Brennstoffzelle haben.
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Die vorliegende Erfindung stellt ein Spannungsversorgungssystem eines Hybridbrennstoffzellenbusses gemäß Anspruch 1 bereit. Weitere vorteilhafte Ausbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Die erste Hilfsbatterie kann eine 12 V Hilfsbatterie sein, und die zweite Hilfsbatterie kann eine 24 V Hilfsbatterie sein.
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Das Spannungsversorgungssystem kann ferner aufweisen einen ersten DC/DC-Umwandler, der zwischen der ersten Hilfsbatterie und dem Stapelstartteil gekoppelt ist, um so elektrische Spannung aus der ersten Hilfsbatterie in eine Spannung des Stapelstartteil umzuwandeln, und einen Hochspannungs-DC/DC-Umwandler, der eine Spannung des Brennstoffzellenstapels in eine Spannung des Stapelstartteils umwandelt, wobei der Hochspannungs-DC/DC-Umwandler mit dem ersten DC/DC-Umwandler elektrisch gekoppelt ist derart, dass die mittels des Hochspannungs-DC/DC-Umwandlers umgewandelte Spannung dem ersten DC/DC-Umwandler zugeführt wird.
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Der Brennstoffzellenstapel kann eine Gleichspannung von 900 V erzeugen.
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Die Ansteuerungsspannung des Stapelstartteils kann 350 V betragen.
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Ein zweiter DC/DC-Umwandler kann zwischen einer Kopplung des Brennstoffzellenstapels und der zweiten Hilfsbatterie vorgesehen sein, um so die zweite Hilfsbatterie unter Verwendung elektrischer Leistung aus dem Brennstoffzellenstapel zu laden.
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Ein Inverter, welcher mit elektrischer Leistung aus dem Brennstoffzellenstapel versorgt wird, um eine Hilfskomponente anzusteuern, kann elektrisch mit dem Brennstoffzellenstapel gekoppelt sein.
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Die Hilfskomponente kann mindestens eine Komponente aus der Komponentengruppe enthalten, die aus einer Wasserpumpe, einer Leistungssteuerungspumpe (power steering pump) und einem Klimaanlagenkompressor besteht.
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Das Spannungsversorgungssystem kann ferner enthalten eine Stromleitung, die den Brennstoffzellenstapel und den Traktionsmotor elektrisch koppelt, und eine Stromleitung, die einen Unterbrecher bzw. Zerhacker oder Chopper und einen Bremswiderstand passiert in einer Stromleitung, die den Superkondensator koppelt, wobei elektrische Energie mittels des Choppers und des Bremswiderstands aufgebraucht wird in dem Fall, dass der Superkondensator überladen wird.
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Ferner stellt die vorliegende Erfindung ein Steuerungsverfahren eines Spannungsversorgungssystems eines Hybridbrennstoffzellenbusses gemäß Anspruch 10 bereit.
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Weitere vorteilhafte Ausbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Der erste Schritt kann ferner jeweiliges Zuführen von elektrischer Leistung einer ersten und einer zweiten Hilfsbatterie mit Spannungen enthalten, die unterschiedlich voneinander sind, zu einem ersten bzw. einem zweiten elektrischen Teil, die mit den Hilfsbatterien gekoppelt sind.
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Bei dem ersten Schritt kann die erste Hilfsbatterie eine 12 V Hilfsbatterie sein, and die zweite Hilfsbatterie kann eine 24 V Hilfsbatterie sein.
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Der erste Schritt und der siebte Schritt können denselben DC/DC-Umwandler verwenden.
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Der fünfte Schritt kann eine Spannung von 900 V in eine Spannung von 350 V umwandeln.
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Der fünfte Schritt oder der sechste Schritt kann ferner ein Umwandeln der Hochspannungsleistung enthalten, um so die zweite Hilfsbatterie zu laden.
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Der siebte Schritt kann ferner ein Zuführen der Hochspannungsleistung zu einem Inverter einer Hilfskomponente enthalten.
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Das Steuerungsverfahren kann ferner einen neunten Schritt des Durchführens eines Ansteuerungsmodus nach dem achten Schritt enthalten, wobei der Ansteuerungsmodus ausgewählt ist aus: einem normalen Ansteuerungsmodus, der das Umwandeln von Hochspannung des Brennstoffzellenstapels in Ansteuerungsspannung des Stapelstartteils und das Zuführen der Hochspannung zu dem Traktionsmotor und dem Inverter enthält; einem Beschleunigungs- oder Bergsteigmodus, der das Umwandeln von Hochspannung des Brennstoffzellenstapels in Ansteuerungsspannung des Stapelstartteils und das Zuführen der Hochspannung zu dem Traktionsmotor und dem Inverter enthält; und einem regenerativen Bremsmodus, der das Erzeugen von regenerativer elektrischer Leistung mittels regenerativen Bremsens des Traktionsmotors, das Umwandeln der regenerativen elektrischen Leistung in die Ansteuerungsspannung des Stapelstartteils, das Zuführen der regenerativen elektrischen Leistung zu einem Inverter, das Ermitteln, ob der Superkondensator überladen worden ist, das Verbrauchen bzw. Abführen von dem Superkondensator zugeführter elektrischer Energie in dem Fall dass der Superkondensator überladen worden ist, und das Laden des Superkondensators mittels der regenerativen elektrischen Leistung in dem Fall, dass der Superkondensator nicht überladen worden ist.
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1 ist ein Diagramm eines Spannungsversorgungssystems eines Hybridbrennstoffzellenbusses gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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2 ist ein Flussdiagramm zum Erklären eines Startmodus eines Steuerungsverfahrens eines Spannungsversorgungssystems eines Hybridbrennstoffzellenbusses gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Die 3A bis 3D sind Zeichnungen, die den elektrischen Leistungsfluss eines Spannungsversorgungssystems eines Hybridbrennstoffzellenbusses gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigen.
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4 ist ein Flussdiagramm, dass einen Ansteuerungsmodus in einem Leistungssystem eines Hybridbrennstoffzellenbusses gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.
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5A ist eine Zeichnung, die einen elektrischen Leistungsfluss in einem Zustand zeigt, bei dem sich ein Hybridbrennstoffzellenbus in einem normalen Ansteuerungsmodus befindet.
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5B ist eine Zeichnung, die einen elektrischen Leistungsfluss eines Spannungsversorgungssystems eines Hybridbrennstoffzellenbusses in einem Zustand zeigt, bei dem sich ein Hybridbrennstoffzellenbus in einem Beschleunigungsmodus oder in einem Bergsteigmodus befindet.
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5C ist eine Zeichnung, die einen elektrischen Leistungsfluss eines Spannungsversorgungssystems eines Hybridbrennstoffzellenbusses zeigt, der sich in einem Zustand befindet, bei dem das Laden eines Superkondensators in einem regenerativen Bremsmodus durchgeführt wird, in welchem ein regeneratives Bremsen in einem Hybridbrennstoffzellenbus auftritt.
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5D ist eine Zeichnung, die einen elektrischen Leistungsfluss eines Spannungsversorgungssystems eines Hybridbrennstoffzellenbusses zeigt, der sich in einem Zustand befindet, in welchen das Überladen eines Superkondensators in einem regenerativen Bremsmodus auftritt, in welchem ein regeneratives Bremsen in einem Hybridbrennstoffzellenbus auftritt.
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6A ist eine Zeichnung, die zeigt, dass der Superkondensator unter Verwendung eines Choppers und eines Bremswiderstands geladen wird.
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6B ist eine Zeichnung, die einen elektrischen Leistungsfluss zeigt, der auftritt, wenn in dem in 5D gezeigten Bremsmodus mittels des Bremswiderstands Energie verbraucht wird.
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Im Folgenden wird ein exemplarisches Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben.
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1 ist ein Diagramm eines Stromversorgungssystems eines Hybridbrennstoffzellenbusses gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bezugnehmend auf 1 enthält ein Spannungsversorgungssystem eines Hybridbrennstoffzellenbusses erfindungsgemäß einen Brennstoffzellenstapel 10.
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Der Brennstoffzellenstapel 10 speist eine DC-Stromleitung 1 eines Busses mit einer Hochspannungsleistung von etwa 900 V.
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Damit der Brennstoffzellenstapel 10 normal arbeitet, um so eine Hochspannungsleistung von etwa 900 V aufzubauen, sollte im Vorlauf ein Stapelstartteil 20, dass das Starten eines Brennstoffzellenstapel betrifft, wie beispielsweise eine Wasserstoffzuführungsvorrichtung, eine Luft- oder Sauerstoffzuführungsvorrichtung oder eine Kühlvorrichtung betrieben werden.
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Das Stapelstartteil 20 ist konfiguriert, mit der DC-Stromleitung 1 eines Busses gekoppelt zu sein, um so, nach dem Starten des Brennstoffzellenstapels 10, mit Leistung aus dem Brennstoffzellenstapel 10 gespeist zu werden, und wird vor dem Starten des Brennstoffzellenstapels 10 mit elektrischer Spannung aus einer 12 V Hilfsbatterie 50 versorgt, um so zu starten.
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Ein Spannungsversorgungssystem eines Hybridbrennstoffzellenbusses gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält einen Superkondensator 30 als eine Energiespeicherungsvorrichtung.
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Der Superkondensator 30 ist mit der DC-Stromleistung 1 eines Busses elektrisch gekoppelt, um so aus dem Brennstoffzellenstapel 10 gelieferte Energie zu speichern.
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Der Superkondensator 30 dient als eine unterstützende Leistungsquelle, so dass in dem Superkondensator 30 gespeicherte Energie einem Traktionsmotor 40 zugeführt wird in dem Fall, dass der Brennstoffzellenbus beschleunigt oder eine Steigung hinauffährt.
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Der Superkondensator 30 ist mit dem Brennstoffzellenstapel 10 parallel gekoppelt und ist geladen, um den Traktionsmotor 40 mit unterstützender Leistung zu versorgen. Das Laden des Superkondensators 30 beginnt nach dem Starten des Brennstoffzellenstapels 10, nachdem eine Hochspannung von 900 V aufgebaut ist.
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Eine Stromleitung, mit der ein Chopper 32 und ein Bremswiderstand 34 gekoppelt ist, ist in einer elektrischen Kopplung zwischen dem Superkondensator 30 und dem Brennstoffzellenstapel 10 enthalten. Demgemäß ist eine Motorsteuerungseinheit 45 mit dem Brennstoffzellenstapel 10 und dem Superkondensator 30 mittels Stromleitungen ohne bzw. mit dem Chopper 32 und dem Bremswiderstand 34 gekoppelt, so dass Passagen des elektrischen Leistungsflusses in Abhängigkeit von dem Betriebsmodus gesteuert werden.
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Der Chopper 32 und der Bremswiderstand 34 werden verwendet, wenn der Superkondensator 30 mit elektrischer Leistung, die mittels des Brennstoffzellenstapels 10 erzeugt wurde, geladen ist, um zu verhindern, dass Energie des Brennstoffzellenstapels 10 rapide dem Superkondensator 30 zugeführt wird und dadurch ein Abschalten des Brennstoffzellenstapels 10 oder eine Beschädigung des Superkondensators 30 zu vermeiden.
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Ein Spannungsversorgungssystem eines Hybridbrennstoffzellenbusses gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält einen Traktionsmotor 40 als eine Ansteuerungsleistungsquelle.
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Der Traktionsmotor 40 wird aus dem Brennstoffzellenstapel 10 oder aus sowohl dem Brennstoffzellenstapel als auch dem Superkondensator 30 mit Energie versorgt, wodurch ein Fahrzeug angetrieben wird.
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Ein Spannungsversorgungssystem eines Hybridbrennstoffzellenbusses gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält die Motorsteuerungseinheit, d.h. die MCU 45 zum Steuern des Betriebs des Traktionsmotors 40.
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Die MCU 45 steuert die dem Traktionsmotor 40 zuzuführende Leistung des Brennstoffzellenstapels 10, wenn der Brennstoffzellenstapel 10 normal arbeitet, nachdem er gestartet wurde, d.h., wenn er einen Zustand erreicht, bei dem er in der Lage ist, eine Hochspannungsleistung von 900 V zu liefern.
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Der Traktionsmotor 40 verwendet elektrische DC- oder AC-Leistung bzw. Spannung, und in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Motor durch einen Dreiphasenmotor realisiert, der elektrische AC-Spannung verwendet. Die MCU 45 enthält einen Inverter (nicht gezeigt), der elektrische DC-Spannung in elektrische AC-Spannung umwandelt, so dass der Motor mittels von dem Brennstoffzellenstapel 10 gelieferter elektrischer DC-Spannung von 900 V betrieben werden kann.
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Außerdem, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung führt der Traktionsmotor 40 während des Bremsens des Fahrzeugs regeneratives Bremsen durch, um so als Generator zu arbeiten, um elektrische Leistung zu erzeugen, und führt diese elektrische Leistung einer DC-Stromleitung 1 des Busses zu.
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Elektrische Leistung, die durch das regenerative Bremsen des Traktionsmotors 40 erzeugt wurde, d.h. regenerative Leistung wird als Ansteuerungsenergie einem Hilfskomponenten-Inverter 70 und den Stapelstartteilen 20 und, als Speicherenergie, dem Superkondensator 30 zugeführt. Hierfür wechselt ein Inverter innerhalb der MCU 45 seine Leistungsumwandlungsrichtung, um so elektrische AC-Spannung des Traktionsmotors in elektrische DC-Spannung umzuwandeln, und führt dann die umgewandelte Leistung der DC-Stromleitung 1 zu, und enthält Teile (nicht gezeigt) zur Energiegewinnung durch das regenerative Bremsen bis zur 900 V Spannung. Beispielsweise steuert die MCU 45 den Traktionsmotor 40 durch die Steuerung der Eingangsleistung in und der Ausgangsleistung aus dem Traktionsmotor 40.
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Ein Spannungsversorgungssystem eines Hybridbrennstoffzellenbusses gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist mit einer 12 V Hilfsbatterie 50 und einer 24 V Hilfsbatterie 60 als zwei Niederspannungshilfsbatterien vorgesehen, um so elektrische 12 V Teile (nicht gezeigt) und elektrische 24 V Teile (nicht gezeigt), die in einem Hybridbrennstoffzellenbus installiert sind, zu versorgen.
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Die 12 V Hilfsbatterie 50 ist eine Niederspannungsbatterie, die in einem Personenkraftwagen installiert wird, und die 24 V Hilfsbatterie ist eine Niederspannungsbatterie, die in einen Bus mit einem internen Verbrennungsmotor installiert wird.
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Die elektrischen 12 V Teile enthalten hier Teile eines früheren Brennstoffzellenfahrzeugs (einschließlich eines Hybridbrennstoffzellenfahrzeugs) und bezeichnen elektrische Teile, welche herkömmlicherweise in verschiedenen Brennstoffzellenfahrzeugen verwendet wurden, die eine Brennstoffzelle als eine Leistungsquelle verwenden, zusätzlich zu einem Hybridbrennstoffzellenbus gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die elektrischen 12 V Teile können für eine Unterscheidung von den elektrischen 24 V Teilen als ein erstes elektrisches Teil bezeichnet werden. Die elektrischen 12 V Teile enthalten verschiedene Steuereinheiten, wie zum Beispiel Brennstoffzellenstapel-Steuereinheiten, eine Traktionsmotorsteuerungseinheit und eine Fahrzeugsteuerungseinheit.
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Die elektrischen 24 V Teile enthalten hier Teile eines Busses mit internem Verbrennungsmotor. Demgemäß bezeichnen die elektrischen 24 V-Teile Teile, welche herkömmlicherweise in einem Hybridbrennstoffzellenbus und einem Bus mit einem internen Verbrennungsmotor verwendet werden. Die elektrischen 24 V Teile können für eine Unterscheidung von den elektrischen 12 V Teilen als zweites elektrisches Teil bezeichnet werden. Die elektrischen 24 V Teile enthalten elektrische Teile eines Busses mit einem allgemeinen internen Verbrennungsmotor, d.h. Teile, wie zum Beispiel ein Radiatorgebläse, ein Radio, eine Deckenleuchte, ein elektrisches Ansteuerungsgerät zum Öffnen/Schließen einer Tür, usw.
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In einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die Stapelstartteile 20 durch die 12 V Hilfsbatterie 50 angesteuert.
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Die 12 V Hilfsbatterie 50 liefert elektrische Leistung an Steuereinheiten des Stapelstartteils, und wird in einem initialen Startmodus zur selben Zeit als Leistungsquelle zum Ansteuern des Stapelstartteils verwendet, bevor die 900 V Spannung in dem Brennstoffzellenstapel 10 aufgebaut ist.
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Das Stapelstartteil 20 ist gestaltet, eine elektrische Leistung von 350 V als antreibende elektrische Leistung zu verwenden. Demgemäß ist ein erster DC/DC-Umwandler 55, der die Spannung der 12 V Hilfsbatterie 50 in eine 350 V Spannung umwandelt, welche die Ansteuerungsspannung des Stapelstartteils 20 ist, mit einer DC-Stromleitung zwischen dem Startstapelsteil 20 und der 12 V Hilfsbatterie 50 gekoppelt.
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Außerdem, damit die Stapelstartteile 20 mit elektrischer Leistung aus dem Brennstoffzellenstapel 10 versorgt werden, nachdem die 900 V Spannung mittels normalen Betriebs des Brennstoffzellenstapel 10 aufgebaut ist, ist ein Hochspannungs-DC/DC-Umwandler 25, der die 900 V Spannung in die 350 V Spannung umwandelt, mit einer Stromleitung zwischen den Stapelstartteilen 20 und dem Brennstoffzellenstapel 10 gekoppelt.
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Nachdem der Brennstoffzellenstapel 10 gestartet ist, wird der 12 V Hilfsbatterie elektrische Leistung des Brennstoffzellenstapels 50 durch die DC-Stromleitung zugeführt, um so die 12 V Hilfsbatterie 50 zu laden. In dieser Zeit wird die in dem Hochspannungsumwandler in 350 V umgewandelte elektrische Leistung mittels des ersten DC/DC-Umwandlers 55 in 12 V Hilfsbatteriespannung umgewandelt und mit der Stromleitung gekoppelt, so dass die 12 V Hilfsbatterie 50 geladen werden kann.
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Der erste DC/DC-Umwandler 55 ist gestaltet, eine DC/DC-Umwandlung in beiden Richtungen durchzuführen, wodurch während des Startens des Fahrzeugs die 12 V Hilfsbatteriespannung in die Ansteuerungsspannung von 350 V des Stapelstartteils 20 umgewandelt wird und die mittels des Hochspannungs-DC/DC-Umwandlers umgewandelte elektrische Leistung von 350 V in 12 V Hilfsbatteriespannung umgewandelt wird und dann die umgewandelte Leistung der 12 V Hilfsbatterie 50 zugeführt wird nachdem die 900 V Spannung des Brennstoffzellenstapel 10 aufgebaut ist.
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In einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die 24 V Hilfsbatterie 50 durch die Stromleitung mit dem Brennstoffzellenstapel 10 gekoppelt und ist konfiguriert, mittels elektrischer Leistung geladen zu werden, die mittels des Brennstoffzellenstapels 10 erzeugt wurde. Hierfür ist ein zweiter DC/DC-Umwandler 65 zum Umwandeln der 900 V Spannung in die 24 V Hilfsbatteriespannung mit der Stromleitung gekoppelt, die die 24 V Hilfsbatterie und den Brennstoffzellenstapel 10 koppelt. Demgemäß wird die 24 V Hilfsbatterie 50, welche nach dem Starten des Fahrzeugs elektrische Leistung zum Ansteuern der elektrischen 24 V Teile verbraucht hat, nach dem normalen Betrieb des Brennstoffzellenstapels 10 geladen.
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In einem Spannungsversorgungssystem eines Hybridbrennstoffzellenbusses gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Stromleitung derart gekoppelt, dass elektrische Leistung des Brennstoffzellenstapels 10 einer Hilfskomponente als ansteuernde elektrische Leistung zugeführt wird. Die Hilfskomponente enthält mindestens eine Komponente aus der Komponentegruppe, die aus einer Wasserpumpe 72, einer Leistungssteuerungspumpe 74 und einem Klimaanlagenkompressor 76 besteht.
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Der Hybridbrennstoffzellenbus gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist gestaltet, in der Lage zu sein, Hilfskomponenten, wie zum Beispiel die Wasserpumpe 72, die Leistungssteuerungspumpe 74 und den Klimaanlagenkompressor 76 mit einem Bus mit internem Verbrennungsmotor zu teilen.
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Hierfür wird der Inverter 70, der die elektrische Leistung des Brennstoffzellenstapels 10 umwandelt, bereitgestellt. Der Inverter 70 steuert die Umwandlung einer elektrischen Hochspannungsleistung von 900 V des Brennstoffzellenstapels 10 und steuert die Wasserpumpe 72, die Leistungssteuerungspumpe 74 und den Klimaanlagenkompressor 76 an.
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2 ist ein Flussdiagramm zum Erklären eines Startmodus in einem Steuerungsverfahren eines Spannungsversorgungssystems einer Hybridbrennstoffzelle gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung, und die 3A bis 3D sind Zeichnungen, die einen Leistungsfluss eines Spannungsversorgungssystems eines Hybridbrennstoffzellenbusses gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigen.
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Bezugnehmend auf die 2 bis 3D enthält ein Steuerungsverfahren eines Spannungsversorgungssystems eines Hybridbrennstoffzellenbusses gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Startmodus S1, der einen ersten Schritt S10 des Umwandelns von Niederspannung einer ersten Hilfsbatterie in Ansteuerungsspannung eines Stapelstartteils enthält; einen zweiten Schritt S20 des Ansteuerns des Stapelstartteils unter Verwendung der Ansteuerungsspannung des Stapelstartteils; einen dritten Schritt S30 des Betreibens eines Brennstoffzellenstapels mittels des Betriebs eines Stapelstartteils; einen vierten Schritt S40 des Erzeugens von elektrischer Hochspannungsleistung mittels Betreibens des Brennstoffzellenstapels; einen fünften Schritt S50 des Schaltens der Passage der elektrischen Spannungsversorgung an das Stapelstartteil und des Umwandelns der elektrischen Hochspannungsleistung in die Spannung des Stapelstartteils, wodurch die umgewandelte elektrische Leistung dem Stapelstartteil zugeführt wird; einen sechsten Schritt S60 des Zuführens der elektrischen Hochspannungsleistung zu dem Traktionsmotor; einen siebten Schritt S70 des Umwandelns der in die Ansteuerungsspannung des Stapelstartteils umgewandelten elektrischen Leistung in die erste Hilfsbatteriespannung; und einen achten Schritt S80 des Ladens des Superkondensators mit der elektrischen Hochspannungsleistung, und einen neunten Schritt S90 des Durchführens eines Hybridansteuerungsmodus.
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Wie in den 2 bis 3A gezeigt ist, überwacht eine Fahrzeigsteuerungseinheit, falls ein Fahrzeug in einen Schlüssel-Ein-Zustand eingetreten ist, verschiedene Steuereinheiten, wie beispielsweise einen DC/DC-Umwandler und einen Inverter, und ein Fahrzeug startet den Betrieb.
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Zunächst, in dem ersten Schritt S10, wird die Spannung der 12 V Hilfsbatterie, welche die erste Hilfsbatterie ist, auf 350 V erhöht, welches die Ansteuerungsspannung des Stapelstartteils ist. Für dieses Erhöhen der Spannung ist der erste DC/DC-Umwandler 55 zwischen der 12 V Hilfsbatterie 50, welche die erste Hilfsbatterie ist, und dem Stapelstartteil 20 gekoppelt.
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Falls ein Fahrzeug in einen Schlüssel-Ein-Zustand eingetreten ist, führen die 12 V Hilfsbatterie 50, welche die erste Hilfsbatterie ist, und die zweite Hilfsbatterie 60 dem ersten elektrischen Teil und dem zweiten elektrischen Teil elektrische Leistung zu. Wie oben beschrieben ist, enthalten der erste elektrische Teil und das zweite elektrische Teil ein elektrisches Teil, welches mit einem Brennstoffzellenfahrzeug geteilt werden kann, und ein elektrisches Teil, das mit einem internen Verbrennungsmotor-Bus geteilt werden kann.
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Falls das Fahrzeug in den Schlüssel-Ein-Zustand eingetreten ist, werden elektrische Teile einschließlich verschiedener Steuereinheiten, welche mittels des Schlüssel-Ein eines Fahrzeugs gestartet werden, durch die elektrische Leistung der Hilfsbatterie angesteuert, und elektrische Leistung der Hilfsbatterie wird durch diese Operation verwendet.
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Unterdessen verwendet ein Steuerungsverfahren eines Spannungsversorgungssystems eines Hybridbrennstoffzellenbusses gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung elektrische Leistung der 12 V Hilfsbatterie, welche die erste Hilfsbatterie ist, als Spannungsquelle zum Ansteuern des Stapelstartteils.
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Schließlich, in dem zweiten Schritt S20, werden die Stapelstartteile 20, d.h. eine Wasserstoffzuführungsvorrichtung, eine Sauerstoff- oder Luftzuführungsvorrichtung, eine Kühlungsvorrichtung, usw. angesteuert.
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Bezugnehmend auf die 2 und 3B, falls die Stapelstartteile als solche angesteuert werden, wird in dem dritten Schritt S30 der Brennstoffzellenstapel 10 angesteuert.
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In dem vierten Schritt S40 erzeugt der Brennstoffzellenstapel 10 die Hochspannungsleistung von etwa 900 V und wendet die Hochspannungsleistung auf die DC-Stromleitung eines Busses an.
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Der Brennstoffzellenstapel 10 wird betrieben, um so eine elektrische Hochspannungsleistung zu erzeugen, und in dem fünften Schritt S50 wird die Passage der elektrischen Spannungsversorgung zu dem Stapelstartteil geschaltet, so dass es gestoppt wird, um die 12 V Hilfsbatteriespannung auf eine Spannung von 350 V zu erhöhen. Die 900 V Spannung, die an die DC-Stromleitung angelegt ist, wird mittels des DC/DC-Umwandlers 25 auf 350 V verringert, und die verringerte Spannung wird dem Stapelstartteil zugeführt.
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In dem sechsten Schritt S60 wird die elektrische Hochspannungsleistung zu dem mit der DC-Stromleitung 1 gekoppelten Traktionsmotor 40 zugeführt.
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Der Traktionsmotor 40 wird unter Steuerung der MCU 45 mit der elektrischen Leistung des Brennstoffzellenstapels 10 versorgt. Die MCU 45 enthält einen Inverter usw. Die MCU 45 wandelt die aus dem Brennstoffzellenstapel 10 zugeführte elektrische DC-Leistung in elektrische AC-Leistung um und steuert den Betrieb des Traktionsmotors 40 so, dass das Fahrzeug gemäß dem Signaleingang aus der Fahrzeigsteuerungseinheit angesteuert wird.
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Unterdessen, da die elektrischen 24 V Teile, welche elektrische Teile sind, die mit einem Bus mit internem Verbrennungsmotor geteilt werden, d.h. die zweiten elektrischen Teile die elektrische Leistung der 24 V Hilfsbatterie 50 verwenden, ist es notwendig, die 24 V Hilfsbatterie 50 zu laden.
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Während des fünften Schrittes S50 oder des sechsten Schrittes S60 wird ein Schritt S55 des Betreibens des zweiten DC/DC-Umwandlers 65, der durch die mit dem Brennstoffzellenstapel 10 gekoppelte DC-Stromleitung mit elektrischer 900 V-Leistung versorgt wird, und des Erniedrigens der 900 V Spannung auf die Spannung der 24 V Hilfsbatterie, d.h. der zweiten Hilfsbatterie, und des Ladens der 24 V Hilfsbatterie 50 ausgeführt.
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Bezugnehmend auf die 2 und 3C, in dem siebten Schritt S70 wird der erste DC/DC-Umwandler 55 in einen Lademodus geschaltet, und die 900 V Hochspannung des Brennstoffzellenstapels 10 wird in die Ladespannung der 12 V Hilfsbatterie 50 umgewandelt, so dass die 12 V Hilfsbatterie, d.h. die erste Hilfsbatterie, beginnt, sich aufzuladen.
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Der achte Schritt S80 enthält einen Schritt des Zuführens von Hochspannungsleistung des Brennstoffzellenstapels 10 zu dem Inverter 70 der Hilfsspannungskomponenten für Operationen von diesen.
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Der erste DC/DC-Umwandler 55 erhöht die Spannung der 12 V Hilfsbatterie 50 auf 350 V und führt während einer initialen Stufe des Startens die erhöhte Spannung den Stapelstartteilen 20 zu. Falls damit begonnen wird, die elektrische Leistung des Brennstoffzellenstapels 10 den Stapelstartteilen 20 über den Hochspannungs-DC/DC-Umwandler 25 zuzuführen, wird der erste DC/DC-Umwandler 55 in einen Lademodus geschaltet, in welchem die 350 V-Ausgabe des Hochspannungs-DC/DC-Umwandlers 25 auf die Spannung der 12 V Hilfsbatterie 50 verringert wird, und startet das Laden.
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Außerdem wird begonnen, die Hochspannungsleistung des Brennstoffzellenstapels 10 dem Inverter 70 der Hilfskomponenten durch die DC-Stromleitung zuzuführen, so dass die Hilfskomponenten, wie zum Beispiel die Wasserpumpe 72, die Leistungssteuerungspumpe 74 und der Klimaanlagenkompressor 76, betrieben werden.
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Bezugnehmend auf die 2 und 3D, in dem achten Schritt S80 wird der Superkondensator 30 unter Verwendung des Choppers 32 und des Bremswiderstands 34 geladen. Wie oben beschrieben wurde, reguliert der Chopper 32 den Betrag des in den Superkondensators 30 fließenden Stroms, um so das Ausschalten des Brennstoffzellenstapels 10 und Beschädigen des Superkondensators 30 zu vermeiden. 6A ist eine Zeichnung, die zeigt, dass der Superkondensator unter Verwendung des Choppers 32 und des Bremswiderstands 34 geladen wird.
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Nachdem der Startmodus S1 wie oben beschrieben ausgeführt wurde, tritt in dem neunten Schritt S90 der Hybridbrennstoffzellenbus in einen Hybridansteuerungsmodus ein, und der Ansteuerungsmodus enthält einen normalen Ansteuerungsmodus S2, einen Bergsteig- oder Beschleunigungsmodus S4 und einen Modus eines regenerativen Bremsens S6.
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Sobald der Superkondensator 30 geladen ist, kann der Traktionsmotor 40 mit elektrischer Leistung aus dem Brennstoffzellenstapel 10 und, wenn ein Betrieb von hoher Last erforderlich ist, beispielsweise während eines Hinauffahrens auf einen Berg oder während eines Beschleunigens, aus dem Superkondensator 30.
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4 ist ein Flussdiagramm, dass einen Ansteuerungsmodus in einem Spannungsversorgungssystem eines Hybridbrennstoffzellenbusses gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt. Der Ansteuerungsmodus enthält den normalen Ansteuerungsmodus S2, einen Bergsteig- oder Beschleunigungsmodus S4 und einen Modus eines regenerativen Bremsens S6 und hat Leistungsflusspassagen gemäß den jeweiligen Moden.
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Die 5A bis 5D sind Diagramme, die elektrische Leistungsflüsse des Ansteuerungsmodus in einem Spannungsversorgungssystem eines Hybridbrennstoffzellenbusses gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigen.
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Bezugnehmend auf die 4 und 5A enthält der normale Ansteuerungsmodus S2 einen Schritt S91 des Umwandelns von Hochspannung des Brennstoffzellenstapel in Ansteuerungsspannung des Stapelstartteils, und einen Schritt S92 des Zuführens der Hochspannung zu dem Traktionsmotor und dem Inverter.
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In dem normalen Ansteuerungsmodus S2 liefert der Brennstoffzellenstapel 10 Fahrzeugantriebsenergie und Hilfskomponentenansteuerungsenergie. Demgemäß wird die elektrische Leistung des Brennstoffzellenstapels 10 dem Traktionsmotor 40, dem Hochspannungs-DC/DC-Umwandler 25 und dem Hilfskomponenten-Inverter 70 zugeführt.
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In dieser Zeit werden der Betrieb des ersten DC/DC-Umwandlers 55 und des zweiten DC/DC-Umwandlers 65 in Abhängigkeit des Ladebetrags der 12 V- und der 24 V-Hilfsbatterie gesteuert, und falls die 12 V Hilfsbatterie und die 24 V Hilfsbatterie geladen werden müssen, arbeiten der erste DC/DC-Umwandler und der zweite DC/DC-Umwandler so, dass die Hilfsbatterien geladen werden.
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Außerdem kann, falls der Superkondensator 30 geladen werden muss, ein Laden des Superkondensators 30 ausgeführt werden.
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5A zeigt Leistungsflüsse in einem Zustand, bei dem das Laden der 12 V Hilfsbatterie 50, der 24 V Hilfsbatterie 60 und des Superkondensators 30 abgeschlossen worden ist.
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Bezugnehmend auf die 4 und 5B enthält der Bergsteig- oder Beschleunigungsmodus S4 einen Schritt S93 des Umwandelns von Hochspannung des Brennstoffzellenstapels 10 in Ansteuerungsspannung des Stapelstartteils, einen Schritt 94 des Zuführens der Hochspannung zu dem Traktionsmotor 40 und dem Inverter 70, und einen Schritt S95 des Zuführens von Ladeleistung des Superkondensators 30 zu dem Traktionsmotor 40.
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In dem Fall, dass der Traktionsmotor 40 unter hoher Last betrieben werden muss, beispielsweise beim Beschleunigen oder Hochfahren auf einen Berg, werden sowohl der Brennstoffzellenstapel 10 als auch der Superkondensator gleichzeitig als Leistungsquelle verwendet. In diesem Zusammenhang kennzeichnet der Beschleunigungs- und Bergsteigmodus im Wesentlichen einen Hybridmodus. Es wird in dem Superkondenstor 30 gespeicherte Energie dem Traktionsmotor als unterstützende Leistung zugeführt. Wenn die in dem Superkondensator 30 gespeicherte Energie dem Traktionsmotor 40 zugeführt wird, wird die Energie dem Traktionsmotor 40 zugeführt, ohne dass sie den Chopper 32 und den Bremswiderstand passiert.
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Den Beschleunigungs- oder Bergsteigmodus S4 mit dem normalen Ansteuerungsmodus S2 vergleichend, sind dessen Operationen einander gleich, mit der Ausnahme, dass die elektrische Leistung des Superkondensators 30 dem Traktionsmotor 40 zugeführt wird.
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Bezugnehmend auf die 4, 5C und 5D enthält der Modus des regenerativen Bremsen: einen Schritt S95 des Erzeugens regenerativer Leistung durch das regenerative Bremsen des Traktionsmotors 40; einen Schritt S97 des Umwandelns der regenerativen Leistung in die Ansteuerungsspannung des Stapelstartteils 20; einen Schritt S98 des Lieferns der regenerativen Leistung an den Inverter 70; einen Schritt S99 des Ermittelns, ob der Superkondensator 30 überladen worden ist; einen Schritt 100 des Verbrauchens von dem Superkondensator 30 zugeführter Energie in dem Fall, dass der Superkondensator überladen worden ist; und einen Schritt S101 des Ladens des Superkondensators 30 durch regenerative Leistung in dem Fall, dass der Superkondensator 30 nicht überladen worden ist.
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In dem Modus S6 des regenerativen Bremsens arbeitet der Traktionsmotor 40 als ein Generator, um so elektrische Leistung, d.h. regenerative Leistung durch das regenerative Bremsen zu Erzeugen, und diese Energie wird durch die DC-Stromleitung den Stapelstartteilen 20, dem Inverter der Hilfskomponenten und dem Superkondensator 30 zugeführt. Das heißt, dass in dem regenerativen Ansteuerungsmodus der Traktionsmotor 30 als eine Leistungsquelle verwendet wird.
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Jedoch können in dem Fall, dass der Superkondensator 30 überladen wird, durch elektrische Leistung, die dem Superkondensator 30 zugeführt wurde, Schädigungen verursacht werden, die eine Verkürzung der Lebensdauer des Superkondensators 30 zur Folge haben.
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Demgemäß wird in Schritt S99 ermittelt, ob der Superkondensator überladen wird. In dem Fall, dass der Superkondensator nicht überladen wurde, d.h. in dem Fall, dass ein Laden notwendig ist, wird der Superkondenstor 30 in Schritt S101 geladen, und in dem Fall, dass der Superkondensator 30 überladen wurde, wird in Schritt S100 dem Superkondensator 30 zugeführte Energie verbraucht.
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In dem Fall, dass der Superkondensator geladen werden kann, wie in 5C gezeigt ist, wird die regenerative Leistung des Traktionsmotors 40 dem Superkondensator 30 zugeführt, so dass der Superkondensator 30 geladen wird. In dem Fall, dass der Superkondensator 30 mit der regenerativen Leistung geladen wird, befindet sich der Superkondensator 30 in einem Zustand des teilweisen Aufgeladenseins, so dass es keine abrupte Änderung der Energie gibt, so dass die elektrische Leistung zugeführt wird, ohne dass sie den Chopper 32 und den Bremswiderstand 34 passiert.
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In dem Fall, dass der Superkondensator 30 überladen worden ist, wie in 5D gezeigt ist, wird mittels des Traktionsmotors 40 erzeugte elektrische Leistung verbraucht, während sie den Chopper 32 und den Bremswiderstand 34 passiert. 6B ist eine Zeichnung, die zeigt, dass die in dem Traktionsmotor 40 erzeugte elektrische Energie in dem Fall, dass der Superkondensator 30 überladen ist, verbraucht wird, während sie den Bremswiderstand 34 passiert.
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Der Chopper 32 enthält zwei Schalttransistoren, um so als Schalter zu dienen. Mittels des regulierenden Stroms während des initialen Ladens des Superkondensators 30 und des Verbrauchens der regenerativen Energie können Situationen, die Folge eines abrupten Fließens von Strom sind, wie es beispielsweise beim Ausschalten des Brennstoffzellenstapels und bei Beschädigungen des Superkondensators auftritt, vermieden werden. Das Überladen des Superkondensators 30 wird durch solche Energieflussregulierungen verhindert.
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Mittels dieser Konfiguration kann ein Spannungsversorgungssystem eines Hybridbrennstoffzellenbusses gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung Teile eines Brennstoffzellenfahrzeugs, die entwickelt wurden, eine 12 V Hilfsbatterie zu verwenden, und elektrische Teile verwenden, die eine 24 V Hilfsbatterie verwenden, die in einem Bus mit internem Verbrennungsmotor verwendet werden.
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Demgemäß können elektrische Teile, welche schon entwickelt oder verwendet wurden, in der Gestaltung und Herstellung eines Hybridbrennstoffzellenbusses verwendet werden, und elektrische Teile können mit anderen Fahrzeugen geteilt werden.
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Gemäß der Erfindung wird ein Spannungsversorgungssystem eines Hybridbrennstoffzellenbusses und ein Steuerungsverfahren dafür bereitgestellt, welche eine 12 V Hilfsbatterie and eine 24 V Hilfsbatterie verwenden können, so dass elektrische 12 V Teile eine Brennstoffzellenfahrzeugs, welches schon entwickelt wurden, und elektrische 24 Teile eines Busses mit internem Verbrennungsmotor verwendet werden können, so das Zeit und Kosten für eine Entwicklung eines Hybridbrennstoffzellenbussystems minimiert werden können.
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Ferner kann eine effiziente Anwendung eines Hybridsystems aus einem Superkondensator und einer Brennstoffzelle in einem Hybridbrennstoffzellenbus geschaffen werden.
