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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren, um eine Leistungsverteilung
in einem Brennstoffzellensystem bereitzustellen, und insbesondere
ein Brennstoffzellensystem, das eine hohe Kompressorleistung und
einen geringen Kathodenausgangsdruck bereitstellt, um ein Ansprechen
auf einen nach oben gerichteten Leistungsübergang zu verbessern.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Wasserstoff
ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er rein ist und dazu verwendet
werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle
zu erzeugen. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische
Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt
dazwischen aufweist. Die Anode nimmt Wasserstoffgas auf, und die
Kathode nimmt Sauerstoff oder Luft auf. Das Wasserstoffgas wird
in der Anode aufgespalten, um freie Wasserstoffprotonen und Elektronen
zu erzeugen. Die Wasserstoffprotonen gelangen durch den Elektrolyt
an die Kathode. Die Wasserstoffprotonen reagieren mit dem Sauerstoff
und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen
von der Anode können
nicht durch den Elektrolyt gelangen und werden somit durch eine Last
geführt,
in der sie Arbeit verrichten, bevor sie an die Kathode geliefert werden.
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Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen
(PEMFC) stellen eine populäre
Brennstoffzelle für Fahrzeuge
dar. Die PEMFC weist allgemein eine protonenleitende Festpolymerelektrolytmembran
auf, wie beispielsweise eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und die
Kathode weisen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel
auf, gewöhnlich Platin
(Pt), die auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem Ionomer
gemischt sind. Die katalytische Mischung wird auf entgegengesetzten
Seiten der Membran aufgebracht. Die Kombination der katalytischen
Anodenmischung, der katalytischen Kathodenmischung und der Membran
definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA). MEAs sind relativ teuer
herzustellen und erfordern bestimmte Bedingungen für einen
effektiven Betrieb.
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Typischerweise
werden mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel
kombiniert, um die gewünschte
Leistung zu erzeugen. Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodeneingangsgas, typischerweise
eine Strömung
aus Luft auf, die über einen
Kompressor durch den Stapel getrieben wird. Es wird nicht der gesamte
Sauerstoff von dem Stapel verbraucht, und ein Teil der Luft wird
als ein Kathodenabgas ausgegeben, das Wasser als ein Stapelnebenprodukt
enthalten kann. Der Brennstoffzellenstapel nimmt auch ein Anodenwasserstoffeingangsgas
auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt.
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Die
dynamische Leistung eines Brennstoffzellensystems ist begrenzt.
Ferner kann es sein, dass die Zeitverzögerung vom Systemstart zur
Fahrbarkeit und langsamen Beschleunigung des Fahrzeugs nicht akzeptabel
ist. Die Spannungszyklen können
die Stapelhaltbarkeit verringern. Diese Nachteile können durch
Verwendung einer Hochspannungsbatterie paral lel zu dem Brennstoffzellenstapel minimiert
werden. Es werden Algorithmen verwendet, um die Verteilung von Leistung
von der Batterie und dem Brennstoffzellenstapel vorzusehen und damit
die angeforderte Leistung zu erfüllen.
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Einige
Brennstoffzellenfahrzeuge sind Hybridfahrzeuge, die zusätzlich zu
dem Brennstoffzellenstapel ein elektrisches Energiespeichersystem (EESS)
verwenden, wie eine DC-Batterie oder einen Superkondensator (auch
als ein Ultrakondensator oder als ein Doppelschichtkondensator bezeichnet). Das
EESS liefert ergänzende
Leistung für
die verschiedenen Fahrzeugzusatzlasten, zum Systemstart und bei
Hochleistungsbedarf, wenn der Brennstoffzellenstapel nicht in der
Lage ist, die gewünschte Leistung
bereitzustellen. Insbesondere liefert der Brennstoffzellenstapel
Leistung durch eine DC-Spannungsbusleitung an ein elektrisches Traktionssystem
(ETS) für
den Fahrzeugbetrieb. Das EESS liefert die ergänzende Leistung an die Spannungsbusleitung
während
derjenigen Zeiten, wenn zusätzliche
Leistung über
die hinaus erforderlich ist, die der Stapel bereitstellen kann,
wie bei einer starken Beschleunigung. Beispielsweise kann der Brennstoffzellenstapel
eine Leistung von 70 kW bereitstellen. Jedoch kann eine Fahrzeugbeschleunigung
eine Leistung von 100 kW oder mehr erfordern. Der Brennstoffzellenstapel
wird dazu verwendet, das EESS zu denjenigen Zeiten wiederaufzuladen,
wenn der Brennstoffzellenstapel in der Lage ist, den Systemleistungsbedarf
zu erfüllen.
Die Generatorleistung, die von dem Traktionsmotor bei einem regenerativen
Bremsen verfügbar
ist, wird ebenfalls dazu verwendet, die Batterie durch die DC-Busleitung
wieder aufzuladen.
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Akzeptable
Zeitperioden für
Kraftfahrzeuganwendungen von Leerlaufleistung zu Vollleistung liegen
in der Größenordnung
von zwei bis drei Sekunden. Derzeit sind Brennstoffzellenfahrzeuge
nicht in der Lage, nach oben gerichtete vorübergehende Leistungsübergänge so schnell
wie gewünscht
bereitzustellen. Allgemein treten die Begrenzungen für das Ansprechen
auf nach oben gerichtete Übergänge für Brennstoffzellensysteme
auf, da der Brennstoffzellenstapel Kathodenluft nicht schnell genug
erhalten kann. Der Kompressor selbst ist in der Lage, schnell genug
hochzufahren, vorausgesetzt, dass er eine angemessene Leistung erhält. Jedoch
ist es genau die Fähigkeit,
die Leistung an den Kompressor zu liefern, die die Fähigkeit
des Kompressors begrenzt, eine Luftströmung schnell genug an den Brennstoffzellenstapel
zu liefern. Ein Teil des Problems ist zyklisch, da der Kompressor
typischerweise seine Leistung von dem Brennstoffzellenstapel erhält und die
Brennstoffzellenstapelleistung bei niedriger Stapelleistung allgemein
zu niedrig ist, um hohe Kompressordrehzahlen bereitzustellen.
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Die
Hochspannungsbatterie, die typischerweise in einem Hybrid-Brennstoffzellenfahrzeug
vorgesehen ist, kann die Bereitstellung von Kompressorleistung bei
nach oben gerichteten Leistungsübergängen unterstützen, um
die angeforderte ETS-Leistung schnell genug bereitzustellen. Jedoch
besitzt die Batterie dahingehend Beschränkungen, dass es typischerweise
nicht zulässig
ist, dass die Batterie unter einem vorbestimmten minimalen Ladezustand (SOC)
fällt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem offenbart,
das ein Verfahren verwendet, um ein Hochfahren von Stapelleistung
für nach
oben gerichtete Übergänge zu hoher
Leistung zu verbessern, indem der Aufbau der Stapelstromdichte von
dem kathodenseitigen Druck entkoppelt wird. Das System verleiht
dem Kompressor während
des nach oben gerichteten Leistungsüberganges Leistungspriori tät, um die
richtige Kompressordrehzahl für
die gewünschte
Stromdichte des Brennstoffzellenstapels schnell bereitzustellen.
Das System hält
auch den kathodenseitigen Druck des Stapels niedrig, indem ein Kathodengegendruckventil
offen gehalten wird. Durch Erhöhung der
Luftströmungsgeschwindigkeit
des Kathodeneingangs auf das richtige Niveau bei dem nach oben gerichteten
Leistungsübergang
steigt die Stromdichte des Stapels auf das gewünschte Stapelleistungsniveau.
Anschließend
wird das Gegendruckventil geschlossen, um die Stapelspannung zu
erhöhen
und damit die von dem Stapel erreichbare, maximale Gesamtleistung
bereitzustellen.
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Zusätzliche
Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung
und den angefügten
Ansprüchen
in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Leistungssystems für ein Hybrid-Brennstoffzellenfahrzeug;
und
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2 ist
ein Flussdiagramm, das einen Prozess zur Verbesserung der Ansprechzeit
bei nach oben gerichtetem Leistungsübergang für ein Brennstoffzellenfahrzeug
gemäß einer
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
folgende Diskussion der Ausführungsformen
der Erfindung, die auf ein Verfahren zur Verbesserung des Ansprechens
auf einen nach oben ge richteten Leistungsübergang eines Brennstoffzellenhybridfahrzeugs
gerichtet ist, ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu
bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
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1 ist
ein allgemeines Blockdiagramm eines Leistungssystems 10 für ein Brennstoffzellenhybridfahrzeug.
Das Leistungssystem 10 weist einen Brennstoffzellenstapel 12 und
einen Kompressor 14 auf, der eine Luftströmung an
die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 liefert.
Das System 10 weist auch ein kathodenseitiges Gegendruckventil 26 in
der Kathodenabgasleitung auf, das dazu verwendet wird, den kathodenseitigen
Druck des Stapels 12 zu steuern. Das Leistungssystem 10 weist
auch ein elektrisches Traktionssystem (ETS) 16, eine Hochspannungsbatterie 18 und
eine Niederspannungsbatterie 20 auf. Die Hochspannungsbatterie 18 ist dazu
bestimmt, ein beliebiges elektrisches Energiespeichersystem für hohe Spannung
zu repräsentieren,
das für
die hier beschriebenen Zwecke geeignet ist. Bei einer Ausführungsform
ist die Niedervoltbatterie eine standardmäßige 12-Volt-Fahrzeugbatterie. Die
Leistung wird zwischen den Komponenten in dem Leistungssystem 10 auf
einem Hochspannungsbus 24 verteilt. Ein Hochspannungs-DC/DC-Verstärkungswandler 22 erhöht die Leistung
von der Niederspannungsbatterie 20 auf ein für das Leistungssystem 10 geeignetes
Niveau. Die Komponenten des Leistungssystems 10 sind dem
Fachmann so, wie gezeigt verschaltet, gut bekannt. Wie hier nachfolgend
detailliert beschrieben ist, verwendet das Leistungssystem 10 einen
Algorithmus, der das Ansprechen auf einen nach oben gerichteten Übergang
dahingehend verbessert, wie schnell der Brennstoffzellenstapel 12,
die Batterie 18 und die Batterie 20 Leistung an
das ETS 16 liefern können.
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Die
bekannten Leistungssysteme für
Brennstoffzellenhybridfahrzeuge sprechen auf eine Anforderung nach
einem nach oben gerichteten Leis tungsübergang dadurch an, dass eine
erhöhte
Leistung an den Kompressor 14 geliefert wird, um die Anforderung
zu erfüllen.
Jedoch kann es sein, dass der Kompressor 14 nicht seine
maximale Leistung erhält,
wobei der größte Teil
der verfügbaren
Leistung an das ETS 16 geliefert wird, um die Leistungsanforderung zu
erfüllen.
Die bekannten Leistungssysteme schließen auch das Gegendruckventil 26 zu
Beginn des nach oben gerichteten Leistungsüberganges. Eine höhere Luftströmung an
die Kathodenseite des Stapels 12 unterstützt eine
höhere
Stromdichte des Brennstoffzellenstapels, und ein höherer kathodenseitiger
Druck erhöht
die Stapelspannung. Daher ist es, um die hohe Leistung für die Anforderung
nach einem nach oben gerichteten Leistungsübergang bereitzustellen, typischerweise
notwendig, sowohl eine hohe Kathodenluftströmung als auch einen relativ hohen
kathodenseitigen Druck zu haben.
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Die
vorliegende Erfindung schlägt
eine alternative Technik zur Bereitstellung eines nach oben gerichteten
Leistungsüberganges
vor, die ermöglicht, dass
das System 10 hohe Leistung an das ETS 16 schneller
liefern kann, als es durch den Stand der Technik vorgesehen wurde.
Die schnellste Art und Weise, um Stapelleistung aufzubauen, besteht
darin, die Stapelstromdichte so schnell wie möglich zu erhöhen, wobei
die Stapelstromdichte direkt mit der Kathodenluftströmung in
Verbindung steht. Gemäß der Erfindung
ist der Aufbau der Stapelstromdichte von dem kathodenseitigen Druck
entkoppelt. Das Leistungssystem 10 verleiht dem Kompressor 14 während eines
nach oben gerichteten Leistungsüberganges
Leistungspriorität,
um die richtige Kompressordrehzahl und daher den richtigen Luftmassendurchfluss
für die
gewünschte
Stromdichte des Brennstoffzellenstapels 12 schnell bereitzustellen.
Das System 10 hält
auch den kathodenseitigen Druck des Stapels 12 niedrig,
indem das Gegendruckventil 26 offen gehalten wird. Insbesondere
wird das Gegendruckventil 26 beim Systemleerlauf vollständig oder
nahezu vollständig
geöffnet
und wird während des
nach oben gerichteten Leistungsüberganges
in dem offenen oder Umgebungszustand beibehalten, bis die Stromdichte
des Stapels bei oder nahe der Stromdichte für das gewünschte Leistungsniveau liegt.
Durch Erhöhung
des Kathodeneingangsluftdurchflusses auf das richtige Niveau bei
einem nach oben gerichteten Leistungsübergang steigt die Stromdichte
des Stapels 12 auf das gewünschte Stapelleistungsniveau. Anschließend wird
das Gegendruckventil 26 danach geschlossen, um die Stapelspannung
zu erhöhen und
die gewünschten
Stapelniveaus an relativer Feuchte und andere Faktoren bereitzustellen,
um die von dem Stapel 12 erreichbare maximale Gesamtleistung
bereitzustellen.
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2 ist
ein Flussdiagramm 30, das einen Prozess der Erfindung zur
schnellen Erhöhung
der Leistung von dem Brennstoffzellenstapel 12 bei einer Anforderung
nach einem nach oben gerichteten Übergang zu hoher Leistung zeigt.
Der Algorithmus überwacht
bei Kasten 32 die Fahrerleistungsanforderungen von dem
ETS 16. Der Algorithmus bestimmt an der Entscheidungsraute 34,
ob die Leistungsanforderung niedriger Leistung entspricht, wie Leerlauf. Wenn
die Leistungsanforderung an der Entscheidungsraute 34 niedriger
Leistung entspricht, dann bewirkt der Algorithmus bei Kasten 36,
dass der Brennstoffzellenstapel 12 den Ladezustand der
Niederspannungsbatterie 20 und der Hochspannungsbatterie 18 durch
Laden auf ihr maximales Ladezustandsniveau beibehält und die
angeforderte geringe Leistung an das ETS 16 unter Verwendung
einer geringen Kompressordrehzahl bereitstellt. Ferner wird der
Kathodenauslassdruck, der durch das Gegendruckventil 26 vorgesehen
wird, bei Kasten 38 auf Umgebung, d.h. geöffnet, eingestellt,
und der Algorithmus kehrt zu dem Kasten 32 zur Überwachung der
Fahrerleistungsanforderung zurück.
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Wenn
die Leistungsanforderung bei der Entscheidungsraute 34 nicht
niedriger Leistung entspricht, dann bestimmt der Algorithmus bei
der Entscheidungsraute 42, ob die Leistungsanforderung
einem nach oben gerichteten Übergang
zu hoher Leistung entspricht, der einem vorbestimmten Wert entspricht.
Wenn die Leistungsanforderung bei der Entscheidungsraute 42 einem
nach oben gerichteten Übergang
zu hoher Leistung entspricht, dann hält der Algorithmus das Gegendruckventil 26 des
Kathodenauslasses bei dem Kasten 38 in der Umgebungsdruckposition
und kehrt dann zu dem Kasten 32 zur Überwachung der Fahrerleistungsanforderung
zurück.
Ferner sendet der Algorithmus bei Kasten 46 die gesamte
oder den größten Teil
der verfügbaren Leistung
an den Kompressor 14 bis zu der maximalen Leistung, die
durch den Kompressor 14 akzeptiert wird, wie 13 kW, um
die Drehzahl des Kompressors 14 so schnell wie möglich zu
erhöhen.
Die Leistung kann von dem Brennstoffzellenstapel 12, der
Hochspannungsbatterie 18 als auch der Niederspannungsbatterie 20 stammen.
Die Niederspannungsbatterie 20 wird typischerweise zum
Systemstart verwendet und, um Zusatzleistung bereitzustellen, wenn das
System 10 abgeschaltet ist. Jedoch kann gemäß dieser
Ausführungsform
der Erfindung die Leistung von der Niederspannungsbatterie 20 auch
durch den DC/DC-Verstärkungswandler 22 verstärkt werden, um
die von dem Kompressor 14 benötigte Leistung zu unterstützen. Zusätzlich kann
jegliche verbleibende Leistung, die die Leistungsgrenze des Kompressors 14 überschreitet,
von dem Brennstoffzellenstapel 12, der Niederspannungsbatterie 20 und
der Hochspannungsbatterie 18 dazu verwendet werden, das
ETS 16 zu betreiben und damit das angeforderte Leistungsniveau
zu erreichen.
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Der
Algorithmus bestimmt dann bei der Entscheidungsraute 48,
ob die von dem ETS 16 erreichte Leistung gleich der Leistungsanforderung
ist, um die gewünschte
Fahrzeuggeschwindigkeit bereitzustellen. Wenn die gewünschte Leistung
bei der Entscheidungsraute 48 nicht erreicht worden ist,
dann bestimmt der Algorithmus bei der Entscheidungsraute 50,
ob die Ladung der Niederspannungsbatterie 20 oder der Hochspannungsbatterie 18 auf
ihr minimales Ladezustandsniveau abgefallen ist. Wenn sich der Ladezustand
entweder der Hochspannungsbatterie 18 oder der Niederspannungsbatterie 20 bei
der Entscheidungsraute 50 nicht auf seinem minimalen Ladezustand
befindet, dann kehrt der Algorithmus zu Kasten 46 zurück, um die
gesamte verfügbare
Leistung an den Kompressor 14 und die verbleibende Leistung
an das ETS 16 zu liefern, wie oben beschrieben ist. Wenn
der Ladezustand entweder der Hochspannungsbatterie 18 oder
der Niederspannungsbatterie 20 an der Entscheidungsraute 50 auf sein
minimales Ladezustandsniveau reduziert worden ist, dann ermöglicht der
Algorithmus bei Kasten 52, dass der Brennstoffzellenstapel 12 entweder
eine oder beide der Niederspannungsbatterie 20 oder der Hochspannungsbatterie 18 lädt, und
liefert die verbleibende verfügbare
Leistung von dem Stapel 12 an das ETS 16, um die
Anforderung nach einem nach oben gerichteten Leistungsübergang
bereitzustellen.
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Wenn
an der Entscheidungsraute 48 die erreichte Leistung gleich
der Leistungsanforderung ist oder an der Entscheidungsraute 42 die
Leistungsanforderung kein nach oben gerichteter Übergang zu hoher Leistung ist,
dann bestimmt der Algorithmus bei der Entscheidungsraute 54,
ob eine Anforderung nach einem vorbestimmten hohen Leistungsniveau vorhanden
ist. Wenn an der Entscheidungsraute 54 keine Anforderung
nach einem hohen Leistungsniveau vorhanden ist, dann kehrt der Algorithmus
zu dem Kasten 38 zurück,
um den Kathodenauslassdruck bei Umgebung beizubehalten. Wenn die
Leistungsanforderung bei der Entscheidungsraute 54 hoher
Leistung entspricht, dann bestimmt der Algorithmus bei der Entscheidungsraute 56,
ob die erreichte Leistung für
eine gewisse Zeitdauer gleich der Leistungsanforderung ist. Bei
einem nicht beschränkenden
Beispiel beträgt
die Zeitdauer etwa 10 Sekunden. Wenn bei der Entscheidungsraute 56 die
erreichte Leistung die Leistungsanforderung für weniger als die vorbestimmte
Zeitdauer erreicht hat, dann kehrt der Algorithmus zu dem Kasten 38 zurück, um den
Kathodenauslassdruck auf Umgebung zu halten. Wenn jedoch bei der
Entscheidungsraute 56 die erreichte Leistung für länger als
die vorbestimmte Zeitdauer der Leistungsanforderung entsprochen
hat, dann führt
der Algorithmus bei Kasten 58 ein Schließen oder
teilweises Schließen
des Gegendruckventils 26 aus, um den kathodenseitigen Druck,
beispielsweise 145 kPa zu erhöhen,
um die Spannung des Stapels 12 zu erhöhen, wie oben beschrieben ist, um
die maximale Leistung bereitzustellen.
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Ein
zusätzlicher
Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass dadurch,
dass der Kathodendruck bei einem nach oben gerichteten Übergang zu
hoher Leistung relativ niedrig gehalten wird, die relative Feuchte
der Membranen in dem Stapel 12 besser beibehalten werden
kann.
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Um
den Algorithmus der Erfindung zu veranschaulichen, können Werte
für die
Leistungsverteilung des Leistungssystems 10 vorgesehen
werden. Beim Systemleerlauf beispielsweise bei t = –2,0 Sekunden,
kann der Kompressor 14 eine Leistung von 1 kW von dem Brennstoffzellenstapel 12 aufnehmen, um
den Leerlaufzustand aufrecht zu erhalten. Ferner liefern weder die
Niederspannungsbatterie 20 noch die Hochspannungsbatterie 18 Leistung
an das ETS 16. Auch kann der Brennstoffzellenstapel 12 eine Leistung
von 1 kW an die Niederspannungsbatterie 20 liefern, um
ihren Ladezustand auf einem maximalen Niveau zu halten, und der
Stapel 12 kann eine Leistung von 3 kW an die Hochspannungsbatterie 18 liefern,
um ihren Ladezustand auf einem maximalen Niveau zu halten.
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Nach
einer Anforderung nach einem nach oben gerichteten Leistungsübergang
bei t = 0,1 Sekunden, beispielsweise einer Anforderung nach 90 kW
Leistung, können
Leistungssysteme nach dem Stand der Technik 7 kW an den
Kompressor 14 von der Hochspannungsbatterie 18 liefern,
wobei eine typische maximale Kompressorleistung etwa 13 kW beträgt, und
der Stapel 12 kann 1 kW Leistung an das ETS 16 liefern
und die Hochspannungsbatterie 18 kann 23 kW an das ETS 16 liefern,
um den Leistungsbedarf zu erfüllen.
Somit erhält
der Kompressor 14 nicht ausreichend Leistung, um schnell
genug hochzufahren.
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Gemäß der Erfindung
erhält
während
des Beginns eines nach oben gerichteten Übergangs zu hoher Leistung
bei beispielsweise t = 0,1 Sekunden der Kompressor 14 13
kW, sein Maximum, von der Hochspannungsbatterie 18. Wenn
die Batterie 18 nicht in der Lage ist, die maximale Kompressorleistung
bereitzustellen, dann können
eine oder beide der Niederspannungsbatterie 20 und des
Brennstoffzellenstapels 12 die zusätzliche Leistung bereitstellen.
Ferner kann der Brennstoffzellenstapel 12 1 kW zu dem ETS 16 liefern,
die Niederspannungsbatterie 20 kann 2 kW zu dem ETS 16 liefern
und die Hochspannungsbatterie 18 kann 17 kW zu dem ETS 16 liefern.
Bei diesem Szenario nimmt der Kompressor 14 seine maximale
Leistung auf, um die maximale Luftströmung so schnell wie möglich an
den Stapel 12 zu liefern, und das ETS 16 nimmt
die verbleibende verfügbare
Leistung von den verschiedenen Leistungsquellen auf.
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Bei
etwa t = 3,0 Sekunden an dem Ende der Anforderung nach dem nach
oben gerichtetem Leistungsübergang
hat der Brennstoffzellenstapel 12 seine maximale Stromdichte
erreicht und ist in der Lage, etwa 84 kW bereitzustellen, wobei
der Kompressor 14 immer noch 13 kW Leistung aufnimmt. Ferner
lädt nun
der Brennstoffzellenstapel 12 die Hochspannungsbatterie 18 und
die Niederspannungsbatterie 20 mit etwa 5 kW bzw. 1 kW.
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Somit
erhält
der Kompressor 14 gemäß der Erfindung
so viel Leistung, wie er aufnehmen kann, von allen verfügbaren Leistungsquellen,
und das ETS 16 ist bei der Leistungsaufnahme sekundär. Das ETS 16 erhält bei einer
Anforderung nach einem nach oben gerichteten Leistungsübergang
unmittelbar nicht so viel Leistung, wie es bei dem System nach dem
Stand der Technik der Fall wäre,
erreicht jedoch die Leistungsanforderung schneller. Insbesondere
dreht der Kompressor 14 schneller hoch, da er so viel Leistung
erhält,
wie er benötigt.
Sobald die Drehzahl des Kompressors 14 hoch ist, wird er
dazu verwendet, eine hohe Kathodenströmung bei geringer Leistung
bereitzustellen, wobei der Druck später aufgebaut wird. Die Niederspannungsbatterie 20 und die
Hochspannungsbatterie 18 entladen sich schneller, jedoch
kann die Brennstoffzellenstapelleistung diese in einer ausreichend
schnellen Zeitdauer wieder aufladen. Somit ist der Brennstoffzellenstapel 12 in
der Lage, eine erhöhte
Stromdichte schneller als bei den bekannten Systemen bereitzustellen.
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Wie
oben beschrieben ist, wird gemäß der Erfindung
bei Niederleistungsbedingungen ein niedriger Sollwert des Kathodenauslassdruckes
vorgesehen. Bei einem anschließenden
nach oben gerichteten Leistungsübergang
steigt der Sollwert des Kathodendruckes für eine kurze Zeitdauer nicht.
Anschließend
wird nach einigen Sekunden der Kathodendrucksollwert auf den schließlichen
Druck erhöht,
der bei dem Zustand mit höherer
Leistung erforderlich ist. Als eine Alternative könnte der
kathodenseitige Druck niedrig bleiben, bis das System 10 bestimmt, dass
mehr Spannung von dem Stapel 12 benötigt wird. Da die Spannung
mit dem Druck zunimmt, kann der Druck angehoben werden, bis entweder
die Spannung erhalten wird oder ein vorbestimmter maximaler Druck
erreicht wird. Wenn sich die Luftströmung aufbaut, bleibt das Gegendruckventil 26 vollständig offen.
Die Drehzahl des Kompressors 14 wird so lange erhöht, bis
die Rückkopplung
von einem Massenstrommesser (nicht gezeigt) oder ei ner anderen Erfassungsvorrichtung
den Kathodendrucksollwert erreicht, der erforderlich ist, um die
angeforderte hohe Leistung zu unterstützen. Einige Zeit später, wenn
die Druckaufbauphase beginnt, wird das Gegendruckventil 26 geschlossen.
Durch Variation der Drehzahl des Kompressors 14 und der
Position des Gegendruckventils 26 unter Verwendung des
Kathodenauslassdruckes und des Luftmassenstromes kann das gesamte
System bei Rückkopplung
auf eine zusammenhängende
Weise arbeiten.
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Um
eine bestimmte relative Stapelfeuchte bei niedriger/Leerlaufleistung
beizubehalten und eine Stapelhaltbarkeit beizubehalten, ist die
Kathodenstöchiometrie
hoch genug, um die Stabilität
beizubehalten, und die Kühlfluidauslasstemperatur
wird abgesenkt, um den hohen Durchfluss zu kompensieren und eine
gewünschte
relative Feuchte beizubehalten. Das Problem besteht darin, dass
bei einem nach oben gerichteten Leistungsübergang der Stapel 12 zur
selben Zeit kalt ist, wenn die Kathodenstöchiometrie von etwa 5 auf etwa
1,8 fällt.
Dies resultiert in einer augenblicklich hohen relativen Feuchte
des Kathodenauslasses, typischerweise über 100 %. Wenn der Kathodenauslassdruck über den
nach oben gerichteten Übergang
hinweg niedrig gehalten wird, hilft dies, das nach oben gerichtete
Ausbrechen der relativen Feuchte mit einem nach oben gerichteten
Leistungsübergang
zu reduzieren, was in einem besseren Kathodenwassermanagement resultiert.
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Gemäß der Erfindung
wird die gesamte Leistung von den verschiedenen Leistungsquellen
bei einem nach oben gerichteten Leistungsübergang an den Kompressor 14 geliefert,
so dass die Kompressordrehzahl und daher der Luftmassenstrom so schnell
wie möglich
zunehmen können.
In dem Fall des Brennstoffzellenstapels 12 kann der Kompressor 14 so
viel wie 13 kW verbrauchen. Wenn die Hochspannungsbatterie 18 groß genug
ist, um den Rest des Systems in Betrieb zu halten und die gesamten 13
kW an den Kompressor 14 zu liefern, liefert diese dann
die anfängliche
Leistung direkt an das ETS 16. Wenn beispielsweise ein
1 kW parasitäre
Lasten vorhanden sind und die Hochspannungsbatterie 18 10 kW
leistet, dann sollte 1 kW genommen werden, um sicherzustellen, dass
die parasitären
Lasten des Systems angemessen unterstützt werden, jedoch sollten 9
kW direkt an den Kompressor 14 gehen. Dann liefert der
Brennstoffzellenstapel 12 die gesamte Startleistung. Bei
einem zweiten Beispiel wird, wenn die Hochspannungsbatterie 18 30
kW liefert, dann immer noch 1 kW genommen, um sicherzustellen, dass
die parasitären
Lasten des Systems angemessen unterstützt sind, 13 kW gehen zuerst
an den Kompressor 14 und jegliche verbleibende Leistung
wird an das ETS 16 geliefert, allgemein bis zu 16 kW. Ferner
verstärkt
der DC/DC-Verstärkungswandler 22 die
Niederspannungsbatterie 20 auf eine hohe Spannung. Der
Verstärkungswandler 22 sieht
somit Vorteile zum Start des Brennstoffzellenstapels 12 vor.
Jedoch schlägt
die vorliegende Erfindung vor, dass diese Erfindung auch während des
Betriebs ähnlich
des Gebrauchs der Hochspannungsbatterie verwendet werden kann.
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Bei
einem nach oben gerichteten Leistungsübergang wird die gesamte Leistung,
die der DC/DC-Verstärkungswandler 22 liefern
kann, zuerst dem Kompressor 14 zugeteilt, und dann dem
ETS 16. Insgesamt ist es eine wichtige Betrachtung, dass der
Kompressor 14 stets Leistung mit der höchsten Priorität neben
den kritischen Komponenten des Systems, wie dem 12-Volt-Bus (nicht
gezeigt) aufnimmt. Wenn der Übergang
vorüber
ist oder die Batterien 18 und 20 unter den vorbestimmten
minimalen Ladezustand entladen werden, was auch immer zuerst stattfindet,
sollte sich das System 10 dann selbst anpassen, um die
Batterien 18 und 20 teilweise zu laden und jegliche
angeforderte Leistung an das ETS 16 zu liefern.
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Der
Kompressor 14 stellt typischerweise die langsamste Komponente
zum Ansprechen bei einer Anforderung nach einem nach oben gerichteten
Leistungsübergang
dar. Jedoch betreibt dieser grundsätzlich einen der wichtigsten
Aspekte des Brennstoffzellensystems, d.h. die Unterstützung der
Reaktion mit Luft. Das Ziel sollte darin bestehen, den Kompressor 14 auf
den gewünschten
Durchfluss zu drehen, der erforderlich ist, um die Leistungsanforderung
so schnell wie möglich
zu unterstützen,
sogar, wenn dies bedeutet, dass die Batterien 18 und 20 für Hunderstel
von Millisekunden oder einige wenige kurze Sekunden weniger Leistung
an das ETS 16 liefern können.
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Die
vorhergehende Diskussion offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte
Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung. Der Fachmann erkennt leicht aus einer derartigen
Diskussion und aus den begleitenden Zeichnungen und Ansprüchen, dass verschiedene Änderungen,
Abwandlungen und Variationen darin ohne Abweichung von dem Erfindungsgedanken
und dem Schutzumfang der Erfindung, wie in den folgenden Ansprüchen definiert
ist, durchgeführt
werden können.