DE102008045099A1

DE102008045099A1 - Doppelseitiges Wechselrichterantriebssystem für ein Brennstoffzellenfahrzeug und zugehöriges Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE102008045099A1
Application number: DE102008045099A
Authority: DE
Inventors: James M. Cerritos Nagashima; Gregory S. Woodland Hills Smith; Brian A. Torrance Welchko; Chakrabarti Torrance Sibaprasad; Milun Torrance Perisic; George Cerritos John
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-06-19
Filing date: 2008-08-29
Publication date: 2009-12-31
Also published as: CN101607531B; CN101607531A

Abstract

Es werden Systeme und Verfahren für ein doppelseitiges Wechselrichterantriebssystem für ein Brennstoffzellenfahrzeug vorgesehen. Ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug umfasst einen Elektromotor, der ausgelegt ist, um dem Fahrzeug Antriebsleistung zu liefern. Ein erster Wechselrichter ist mit dem Elektromotor gekoppelt und ist dafür ausgelegt, dem Elektromotor Wechselstrom zu liefern. Eine Brennstoffzelle ist mit dem ersten Wechselrichter gekoppelt, um einen Leistungsfluss von der Brennstoffzelle an den Elektromotor bereitzustellen. Ein zweiter Wechselrichter ist mit dem Elektromotor gekoppelt und ist dafür ausgelegt, dem Elektromotor Wechselstrom zu liefern. Eine Energiequelle ist mit dem zweiten Wechselrichter gekoppelt, um einen Leistungsfluss zwischen der Energiequelle und det mit dem ersten Wechselrichter und dem zweiten Wechselrichter gekoppelt und ist dafür ausgelegt, von der Brennstoffzelle während des Betriebs des Elektromotors konstante Leistung bereitzustellen.

Description

Technisches Gebiet
Ausführungsformen des hierin beschriebenen Gegenstands betreffen allgemein Fahrzeugantriebssysteme, und insbesondere betreffen Ausführungsformen des Gegenstands Hybridfahrzeuge mit einem doppelseitigen Wechselrichterantriebssystem.
Hintergrund
In den letzten Jahren haben Fortschritte in der Technologie sowie sich ständig änderndes Stilempfinden zu wesentlichen Änderungen bei der Konstruktion von Kraftfahrzeugen geführt. Eine der Änderungen betrifft den Leistungsverbrauch und die Komplexität der verschiedenen elektrischen Systeme in Kraftfahrzeugen, insbesondere in durch alternative Kraftstoffe betriebenen Fahrzeugen wie Hybrid-, Elektro- und Brennstoffzellen-Fahrzeugen.
Viele der elektrischen Komponenten, einschließlich der in solchen Fahrzeugen verwendeten Elektromotoren, erhalten elektrische Leistung von Wechselstromleistungsversorgungen (AC-Leistungsversorgungen). Die bei solchen Anwendungen verwendeten Energiequellen (z. B. Batterien) stellen aber nur Gleichstromleistung (DC-Leistung) bereit. Daher werden als „Gleichrichter/Wechselrichter” bekannte Vorrichtungen, die im Folgenden nur als Wechselrichter bezeichnet sind, zum Umwandeln der Gleichstromleistung in Wechselstromleistung verwendet, die häufig mehrere Schalter oder Transistoren nutzen, die zum Umwandeln der Gleichstromleistung in Wechselstromleistung mit verschiedenen Intervallen betätigt werden.
Zudem nutzen solche Fahrzeuge, insbesondere Brennstoffzellenfahrzeuge, häufig zwei getrennte Spannungsquellen (z. B. eine Batterie und eine Brennstoffzelle), um die Elektromotoren, die die Räder antreiben, mit Energie zu versorgen. „Leistungswandler”, wie etwa Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler (DC/DC-Wandler), werden typischerweise zum Verwalten und Übertragen der Leistung von den beiden Spannungsquellen verwendet. Moderne DC/DC-Wandler umfassen häufig Transistoren, die durch eine Spule elektrisch miteinander verbunden sind. Durch Steuern der Zustände der verschiedenen Transistoren kann durch die Spule ein erwünschter Durchschnittsstrom eingeprägt werden, und kann somit den Leistungsfluss zwischen den beiden Spannungsquellen steuern.
Die Nutzung sowohl eines Wechselrichters als auch eines Leistungswandlers steigert die Komplexität der elektrischen Anlage des Kraftfahrzeugs stark. Die für beide Arten von Vorrichtungen erforderlichen zusätzlichen Komponenten steigern auch die Gesamtkosten und das Gewicht des Fahrzeugs. Ferner sind die meisten Brennstoffzellenfahrzeuge und/oder -systeme dafür ausgelegt, die gesamte Antriebsleistung für den Fahrzeugbetrieb aus der Brennstoffzelle bereitzustellen. Dies führt zu einer zu großen Auslegung des Brennstoffzellenstapels, da er die für das Fahrzeug erforderliche Spitzenleistung bereitstellen muss.
Kurze Zusammenfassung
Es wird eine Vorrichtung für ein elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug bereitgestellt. Das elektrische Antriebssystem umfasst einen Elektromotor, der dafür ausgelegt ist, dem Fahrzeug Antriebsleistung zu lie fern. Mit dem Elektromotor ist ein erster Wechselrichter gekoppelt und ist dafür ausgelegt, dem Elektromotor Wechselstrom zu liefern. Eine Brennstoffzelle ist mit dem ersten Wechselrichter gekoppelt, wobei der erste Wechselrichter dafür ausgelegt ist, einen Leistungsfluss von der Brennstoffzelle an den Elektromotor zu liefern. Ein zweiter Wechselrichter ist mit dem Elektromotor gekoppelt und ist dafür ausgelegt, dem Elektromotor Wechselstrom zu liefern. Eine Energiequelle ist mit dem zweiten Wechselrichter gekoppelt, wobei der zweite Wechselrichter dafür ausgelegt ist, einen Leistungsfluss zwischen der Energiequelle und dem Elektromotor bereitzustellen. Ein Steuergerät ist mit dem ersten Wechselrichter und dem zweiten Wechselrichter gekoppelt und ist dafür ausgelegt, während des Betriebs des Elektromotors konstante Leistung von der Brennstoffzelle bereitzustellen.
Es wird eine Vorrichtung für ein Kraftfahrzeugantriebssystem bereitgestellt. Das Kraftfahrzeugantriebssystem umfasst einen Wechselstrommotor mit einer durchschnittlichen erforderlichen Leistung während des Betriebs. Mit dem Wechselstrommotor ist ein erster Wechselrichter gekoppelt und ist dafür ausgelegt, dem Wechselstrommotor Wechselstrom zu liefern. Eine Brennstoffzelle ist mit dem erster Wechselrichter gekoppelt, wobei der erste Wechselrichter dafür ausgelegt ist, einen Leistungsfluss von der Brennstoffzelle an den Wechselstrommotor zu liefern. Ein zweiter Wechselrichter ist mit dem Wechselstrommotor gekoppelt und ist dafür ausgelegt, dem Wechselstrommotor Wechselstrom zu liefern. Mit dem zweiten Wechselrichter ist eine Energiequelle gekoppelt, wobei der zweite Wechselrichter dafür ausgelegt ist, einen Leistungsfluss zwischen der Energiequelle und dem Wechselstrommotor zu liefern. Ein Steuergerät ist mit dem ersten Wechselrichter und dem zweiten Wechselrichter gekoppelt und ist dafür ausgelegt, die durchschnittliche erforderliche Leistung von der Brennstoffzelle an den Wechselstrommotor bereitzustellen.
Es wird ein Verfahren zum Steuern eines Elektromotors unter Verwenden eines mit einer Brennstoffzelle und einer Energiequelle gekoppelten doppelseitigen Wechselrichtersystems vorgesehen. Das Verfahren umfasst das Liefern einer konstanten Leistung von der Brennstoffzelle an den Elektromotor, wobei die Brennstoffzelle so ausgelegt ist, dass die konstante Leistung einem Brennstoffzellen-Betriebspunkt mit einem Spitzenwirkungsgrad entspricht. Wenn die erforderliche Leistung des Elektromotors größer als die konstante Leistung ist, umfasst das Verfahren weiterhin das Bereitstellen von Leistung von der Energiequelle an den Elektromotor. Wenn die erforderliche Leistung geringer als die konstante Leistung ist, umfasst das Verfahren das Laden der Energiequelle mit Hilfe der Brennstoffzelle.
Diese Zusammenfassung ist vorgesehen, um eine Auswahl von Konzepten in vereinfachter Form vorzustellen, die nachstehend in der eingehenden Beschreibung weiter beschrieben sind. Diese Zusammenfassung soll nicht ausschlaggebende Merkmale oder wesentliche Merkmale des beanspruchten Gegenstands darlegen und soll auch nicht als Hilfe beim Ermitteln des Schutzumfangs des beanspruchten Gegenstands dienen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Durch Heranziehen der eingehenden Beschreibung und der Ansprüche bei Betrachtung in Verbindung mit den folgenden Figuren, bei denen gleiche Bezugszeichen in den gesamten Figuren ähnliche Elemente bezeichnen, lässt sich ein umfassenderes Verständnis des Gegenstands gewinnen.
1 ist ein Blockdiagramm eines beispielhaften Kraftfahrzeugs nach einer Ausführungsform;
2 ist eine Polarisationskurve für eine zur Verwendung in dem Kraftfahrzeug von 1 geeignete beispielhafte Brennstoffzelle, wobei sie den Spannungspegel und die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle als Funktion von Strom nach einer Ausführungsform zeigt;
3 ist eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines doppelseitigen Wechselrichtersystems, das zur Verwendung in dem Kraftfahrzeug von 1 geeignet ist; und
4 ist ein Flussdiagramm eines Motorsteuerprozesses nach einer Ausführungsform.
Eingehende Beschreibung
Die folgende eingehende Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur und soll nicht die Ausführungsformen des Gegenstands oder die Anwendung oder Einsatzmöglichkeiten dieser Ausführungsformen beschränken. Das Wort „beispielhaft”, so wie es hierin verwendet wird, bedeutet „als Beispiel, Fall oder Veranschaulichung dienend”. Jede hierin als beispielhaft beschriebene Umsetzung ist nicht unbedingt gegenüber anderen Umsetzungen als bevorzugt oder vorteilhaft auszulegen. Weiterhin besteht nicht die Absicht, durch eine ausdrückliche oder implizierte Theorie gebunden zu sein, die vorstehend in dem technischen Gebiet, dem Hintergrund, der kurzen Zusammenfassung oder in der folgenden eingehenden Beschreibung dargestellt ist.
Die folgende Beschreibung bezieht sich auf Elemente oder Knoten oder Merkmale, die miteinander „verbunden” oder „gekoppelt” sind. Sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist, bedeutet „verbunden”, so wie es hierin verwendet wird, dass ein Element/Knoten/Merkmal direkt – und nicht unbedingt mechanisch – an ein anderes Element/einen anderen Knoten/ein anderes Merkmal angefügt ist (oder direkt mit diesem in Verbindung steht). Analog bedeutet „gekoppelt”, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist, dass ein Element/Knoten/Merkmal direkt oder indirekt – und nicht unbedingt mechanisch – an ein anderes Element/einen anderen Knoten/ein anderes Merkmal angefügt ist (oder direkt oder indirekt mit diesem in Verbindung steht). Auch wenn die hierin gezeigten Schemadarstellungen beispielhafte Anordnungen von Elementen zeigen, können somit zusätzliche dazwischen tretende Elemente, Vorrichtungen, Merkmale oder Komponenten in einer Ausführungsform des dargestellten Gegenstands vorhanden sein. Weiterhin implizieren die Begriffe „erster”, „zweiter” und andere derartige Zahlenbegriffe, die sich auf Strukturen beziehen, nicht einen Ablauf oder eine Reihenfolge, sofern dies nicht eindeutig durch den Zusammenhang gezeigt wird.
Der Kürze halber werden herkömmliche Verfahrensweisen in Verbindung mit Signalisierung, Sensoren und anderen funktionellen Gesichtspunkten der Systeme (und der einzelnen Betriebskomponenten der Systeme) hierin eventuell nicht näher beschrieben. Weiterhin sollen die in den hierin enthaltenen verschiedenen Figuren gezeigten Verbindungslinien beispielhafte funktionelle Beziehungen und/oder physikalische Kopplungen zwischen den verschiedenen Elementen darstellen. Es versteht sich, dass viele alternative oder zusätzliche funktionelle Beziehungen oder physikalische Verbindungen in einer Ausführungsform des Gegenstands vorhanden sein können.
Hierin erläuterte Technologien und Konzepte betreffen das Optimieren der Verwendung einer Brennstoffzelle in einem Fahrzeug. Die Brennstoffzelle kann so gewählt sein, dass sie bei einem Spannungspegel eine konstante Leistung bereitstellt, bei der die Brennstoffzelle bei oder nahe einem Spitzenwirkungsgrad für den gegebenen Spannungspegel arbeitet. Dies vermeidet ein zu großes Auslegen der Brennstoffzelle und kann den Wirkungsgrad und/oder die Lebensdauer der Brennstoffzelle verbessern. Eine zweite Energiequelle, beispielsweise eine Batterie, kann verwendet werden, um zusätzliche Spitzenleistung bereitzustellen, die das Fahrzeug eventuell benötigt.
Unter Bezug nun auf 1 umfasst ein Fahrzeug oder Kraftfahrzeug 10 gemäß einer Ausführungsform ein Fahrgestell 12, eine Karosserie 14, vier Räder 16 und ein elektronisches Steuersystem 18. Die Karosserie 14 ist auf dem Fahrgestell 12 angeordnet und umgibt im Wesentlichen die anderen Bauteile des Kraftfahrzeugs 10. Die Karosserie 14 und das Fahrgestell 12 können gemeinsam einen Rahmen bilden. Die Räder 16 sind jeweils drehend nahe einer jeweiligen Ecke der Karosserie 14 mit dem Fahrgestell 12 gekoppelt.
Das Kraftfahrzeug 10 kann ein beliebiges einer Reihe unterschiedlicher Arten von Kraftfahrzeugen sein, beispielsweise eine Limousine, ein Kombi, ein Lastwagen oder ein Geländewagen (SUV) und kann ein Zweiradantrieb (2WD, kurz vom engl. Two Wheel Drive) (d. h. Hinterradantrieb oder Vorderradantrieb), ein Vierradantrieb (4WD, kurz vom engl. Four Wheel Drive) oder ein Allradantrieb (AWD, kurz vom engl. All Wheel Drive) sein. Das Kraftfahrzeug 10 kann auch eine beliebige oder eine Kombination einer Reihe unterschiedlicher Arten von Maschinen enthalten, beispielsweise eine Benzin- oder Dieselbrennkraftmaschine, eine Maschine für ein „an den Kraftstoff anpassbares Fahrzeug” (FFV, kurz vom engl. Flexible Fuel Vehicle) (d. h. die ein Gemisch aus Benzin und Alkohol nutzt), eine mit einem gasförmigen Gemisch (z. B. Wasserstoff und Erdgas) betriebene Ma schine, eine hybride Verbrennung/Elektromotor-Maschine und einen Elektromotor.
In der in 1 gezeigten beispielhaften Ausführungsform umfasst das Kraftfahrzeug 10 weiterhin einen Motor 20, ein Brennstoffzellenmodul 22, eine Energiequelle 24, eine Wechselrichteranordnung 26 und einen Kühler 28. Wie gezeigt stehen das Brennstoffzellenmodul 22 und die Energiequelle 24 mit dem elektronischen Steuersystem 18 und der Wechselrichteranordnung 26 in Wirkverbindung und/oder sind mit diesen elektrisch verbunden. Während des Betriebs wird das Kraftfahrzeug 10 durch Bereitstellen von Leistung an die Räder 16 mit dem Motor 20, der Leistung von dem Brennstoffzellenmodul 22 und der Energiequelle 24 erhält, betrieben.
In einer beispielhaften Ausführungsform ist der Motor 20 ein Mehrphasen-Wechselstrom-Motor (AC-Motor) und umfasst einen Satz an Wicklungen (oder Spulen), wobei jede Wicklung einer Phase des Motors 20 entspricht. Auch wenn dies nicht gezeigt ist, umfasst der Motor 20 eine Statoranordnung (mit den Spulen), eine Rotoranordnung (mit einem ferromagnetischen Kern) und ein Kühlfluid (d. h. Kühlmittel), wie für den Fachmann verständlich ist. Der Motor 20 kann ein Induktionsmotor, ein Permanentmagnetmotor oder eine beliebige Art sein, die für die gewünschte Anwendung geeignet ist. Wie in 1 gezeigt, kann der Motor 20 auch ein darin aufgenommenes Getriebe umfassen, so dass der Motor 20 und das Getriebe durch eine oder mehrere Antriebswellen 30 mit mindestens einigen der Räder 16 gekoppelt sind.
In einer beispielhaften Ausführungsform ist der Kühler 28 mit dem Rahmen an einem äußeren Teil desselben verbunden und umfasst, wenngleich dies nicht näher gezeigt ist, mehrere Kühlkanäle, die ein Kühlfluid (d. h. Kühlmittel), beispielsweise Wasser und/oder Ethylenglykol (d. h. „Ge frierschutz”) enthalten, und ist mit der Wechselrichteranordnung 26 und dem Motor 20 gekoppelt. In einer Ausführungsform nimmt die Wechselrichteranordnung 26 Kühlmittel auf und nutzt es gemeinsam mit dem Motor 20. In alternativen Ausführungsformen sind die Wechselrichteranordnung 26 und/oder der Motor 20 luftgekühlt.
In einer beispielhaften Ausführungsform steht das elektronische Steuersystem 18 mit dem Motor 20, dem Brennstoffzellenmodul 22, der Energiequelle 24 und der Wechselrichteranordnung 26 in Wirkverbindung. Auch wenn dies nicht näher gezeigt ist, kann das elektronische Steuersystem 18 verschiedene Sensoren und Kraftfahrzeugsteuermodule oder elektronische Steuereinrichtungen (ECUs), beispielsweise ein Wechselrichtersteuermodul und ein Fahrzeugsteuergerät, und mindestens einen Prozessor und/oder einen Speicher umfassen, der darauf (oder in einem anderen maschinell lesbaren Medium) gespeicherte Befehle zum Ausführen der nachstehend beschriebenen Prozesse und Verfahren umfasst.
Auch wenn dies nicht gezeigt ist, umfasst das Brennstoffzellenmodul 22 in einer Ausführungsform neben anderen Komponenten eine Brennstoffzelle mit einer Anode, einer Kathode, einem Elektrolyten und einem Katalysator. Wie allgemein bekannt ist, leitet die Anode oder negative Elektrode Elektronen, die von zum Beispiel Wasserstoffmolekülen freigesetzt werden, so dass sie in einem äußeren Kreislauf verwendet werden können. Die Kathode oder positive Elektrode leitet die Elektronen von dem äußeren Kreislauf zurück zu dem Katalysator, wo sie sich mit den Wasserstoffionen und dem Sauerstoff wieder vereinen können, um Wasser zu bilden. Der Elektrolyt oder die Protonenaustauschmembran leitet nur positiv geladene Ionen, während er/sie Elektronen sperrt, während der Katalysator die Reaktion von Sauerstoff und Wasserstoff erleichtert. Abhängig von der Ausführungsform können verschiedene Kombinationen von Elektrolyten, Kraft stoffen und Oxidationsmitteln verwendet werden, und es versteht sich aus dem Stand der Technik, dass der hierin erläuterte Gegenstand auf jede Art von Brennstoffzellenmodul 22 Anwendung findet.
In einer beispielhaften Ausführungsform kann das Brennstoffzellenmodul 22 einen Brennstoffzellenstapel oder ein Modul umfassen, das durch Verbinden einzelner Brennstoffzellen in Reihe (z. B. zum Erreichen eines höheren elektrischen Spannungspegels) und/oder parallel (z. B. zum Erreichen eines höheren elektrischen Stroms) gebildet ist. In einer beispielhaften Ausführungsform weist das Brennstoffzellenmodul 22 einen Spitzenwirkungsgrad bzw. einen optimalen Betriebspunkt (oder -bereich) für den von dem Brennstoffzellenmodul 22 gelieferten elektrischen Strom (z. B. Leistung) beruhend auf dem Spannungspegel der einzelnen Brennstoffzelle(n) auf, die das Brennstoffzellenmodul 22 bilden, wie nachstehend beschrieben ist. Ein Spitzenwirkungsgrad oder optimaler Betriebspunkt entspricht der Ausgangsleistung (Ausgangsstrom für den gegebenen Spannungspegel), bei der das Verhältnis von elektrischer Ausgangsenergie zur Eingangsenergie für den Spannungspegel bei einem Höchstwert liegt, wie aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Unter Bezug nun auf 2 umfasst in einer beispielhaften Ausführungsform das Brennstoffzellenmodul 22 einen Stapel von einzelnen Brennstoffzellen, wobei jede einzelne Brennstoffzelle durch eine Betriebspolarisationskurve ähnlich der in 2 gezeigten gekennzeichnet sein kann. Wie gezeigt ändert sich die elektrische Spannung der Brennstoffzelle V_FC bezüglich des von der Brennstoffzelle bereitgestellten elektrischen Stroms, was zu einer Ausgangsleistung P_OUT führt. Während des Betriebs wird das Brennstoffzellenpotential (V_FC) wegen irreversibler Verluste (P_LOSS) von seinem maximalen theoretischen Potential oder Gleichgewichtspotential (V_EQ) abgesenkt. In einer beispielhaften Ausführungsform ist der Verlust (P_LOSS) bei elektrischen Strömen unter einem ersten elektrischen Strom (I₁) und bei elektrischen Strömen über einem zweiten elektrischen Strom (I₂) nicht linear. Bei elektrischen Strömen unter I₁ erfährt die Brennstoffzelle Aktivierungspolarisationsverluste, und bei elektrischen Strömen über I₂ erfährt die Brennstoffzelle Konzentrationspolarisationsverluste, wie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Wie aber gezeigt ist, ist der Verlust P_LOSS über dem von I₁ und I₂ begrenzten Strombereich relativ linear (z. B. ohmsche Verluste). In einer beispielhaften Ausführungsform ist der Brennstoffzellenwirkungsgrad (z. B. Verhältnis von P_OUT zu P_LOSS) über dem relativ linearen Bereich zwischen I₁ und I₂ am größten. In einer beispielhaften Ausführungsform ist das Brennstoffzellenmodul 22 so ausgelegt, dass die Brennstoffzelle(n), die das Brennstoffzellenmodul 22 bilden, zwischen I₁ und I₂ arbeitet/arbeiten. Gemäß einer Ausführungsform kann der Brennstoffzellenstapel so ausgelegt sein, dass im Betrieb jeder Brennstoffzellenspannungspegel dem linearen Bereich (z. B. V₂ ≤ V_FC ≤ V₁) entspricht, wie nachstehend beschrieben ist.
Unter erneutem Bezug auf 1 kann die Energiequelle 24 abhängig von der Ausführungsform eine Batterie, eine weitere Brennstoffzelle, einen Ultrakondensator oder eine andere geeignete Spannungsquelle umfassen. Die Batterie kann jede Art von Batterie sein, die zur Verwendung in einer erwünschten Anwendung geeignet ist, beispielsweise eine Blei-Säure-Batterie, eine Lithiumionenbatterie, eine Nickelmetallbatterie oder eine andere wiederaufladbare Batterie. In einer beispielhaften Ausführungsform ist die Wechselrichteranordnung 26 so ausgelegt, dass sie Leistung an den/von dem Motor 20, dem Brennstoffzellenmodul 22 und der Energiequelle 24 bereitstellt, wie nachstehend näher erläutert wird.
Unter Bezug nun auf 3 kann ein doppelseitiges Wechselrichtersystem 32 zum Antreiben des Motors 20 gemäß einer Ausführungsform angepasst sein. Das doppelseitige Wechselrichtersystem 32 umfasst den Motor 20, das Brennstoffzellenmodul 22, die Energiequelle 24, die Wechselrichteranordnung 26 und ein Steuergerät 34. Um den Motor 20 mit Leistung zu versorgen wird von dem Brennstoffzellenmodul 22 und der Energiequelle 24 Gleichstromleistung an die Wechselrichteranordnung 26 geliefert, die basierend auf der Drehzahl, dem befohlenen Drehmoment (d. h. den befohlenen synchronen Rahmenströmen) und anderen Motorparametern die Gleichstromleistung in Wechselstromleistung umwandelt, die an die Motorwicklungen 36 geliefert wird, wie aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Unter erneutem Bezug auf 2 umfasst die Wechselrichteranordnung 26 einen ersten Wechselrichter 38 und einen zweiten Wechselrichter 40, die jeweils sechs Schalter (z. B. Halbleitervorrichtungen wie Transistoren und/oder Schalter) mit antiparallelen Dioden (d. h. antiparallel zu jedem Schalter) umfassen. Wie gezeigt sind die Schalter in den Abschnitten 38 und 40 in drei Paaren (oder Schenkeln) angeordnet, wobei sich die Paare 42, 44 und 46 in dem ersten Wechselrichter 38 befinden und sich die Paare 48, 50 und 52 in dem zweiten Wechselrichter 40 befinden. In einer beispielhaften Ausführungsform sind die Wicklungen 36 des Motors 20 an ihren gegenüberliegenden Enden zwischen den Schaltern der Schalterpaare 42, 44, 46 in dem ersten Wechselrichter 38 und den Schalterpaaren 48, 50, 52 in dem zweiten Wechselrichter 40 wie gezeigt elektrisch gekoppelt. Das doppelseitige Wechselrichtersystem 32 kann auch erste und zweite Kondensatoren 54 bzw. 56 umfassen, die mit dem Brennstoffzellenmodul 22 und der Energiequelle 24 parallel verbunden sind, um Stromrestwelligkeit während des Betriebs zu glätten.
Immer noch mit Bezug auf 3 steht das Steuergerät 34 mit dem ersten und zweiten Wechselrichter 38 und 40 in Wirkverbindung und/oder ist mit diesen elektrisch verbunden. Das Steuergerät 34 reagiert auf Befehle, die es von dem Fahrer des Kraftfahrzeugs 10 (z. B. mittels eines Gaspedals oder des elektronischen Steuersystems 18) erhält. In einer beispielhaften Ausführungsform ist das Steuergerät 34 dafür ausgelegt, die Wechselrichter 38, 40 mit Hilfe von Hochfrequenzpulsbreitenmodulation (PWM) zu modulieren und zu steuern, wie nachvollziehbar ist. Das Steuergerät 34 liefert einen Steueralgorithmus, der zwischen dem Brennstoffzellenmodul 22 und der Energiequelle 24 einen Sollleistungsfluss erreicht, während in dem Motor 20 das befohlene Drehmoment erzeugt wird. Viele Kombinationen von elektrischer Spannung über den Wicklungen 36 können das befohlene Drehmoment in dem Motor 20 erzeugen und Sollleistungsfluss zwischen dem Brennstoffzellenmodul 22, der Energiequelle 24 und dem Motor 20 zu erreichen. Das Steuergerät 34 liefert PWM-Signale zum Betätigen (d. h. Modulieren) der Schalter in dem ersten und zweiten Wechselrichter 38 und 40, um ein Anlegen der Sollausgangsspannungen über den Wicklungen 36 zu bewirken, um den Motor 20 wie aus dem Stand der Technik bekannt mit dem erforderlichen Drehmoment zu betreiben.
Unter erneutem Bezug auf 2 und 3 ist in einer beispielhaften Ausführungsform das doppelseitige Wechselrichtersystem 32 dafür konfiguriert und/oder ausgelegt, den Wirkungsgrad (d. h. das Verhältnis elektrischer Energieabgabe zur Eingangsenergie) des Brennstoffzellenmoduls 22 zu maximieren und die von dem System ausgeübte Beanspruchung des Brennstoffzellenmoduls 22 zu minimieren. Wie vorstehend beschrieben hängt der Wirkungsgrad des Brennstoffzellenmoduls 22 von dem von ihm bereitgestellten (oder davon abgezogenen) Betrag an Leistung und/oder elektrischem Strom ab. In einer beispielhaften Ausführungsform kann das Brennstoffzellenmodul 22 (z. B. der Brennstoffzellenstapel) für einen Spannungspegel und einen Ausgangsstrom ausgelegt sein, der einem optimalen Wirkungsgrad für das Brennstoffzellenmodul 22 entspricht. Ge mäß einer Ausführungsform weist der Motor 20 (oder das Fahrzeug) eine durchschnittliche erforderliche Leistung (beruhend auf den Drehmomentbefehlen) während des Betriebs auf. Das Brennstoffzellenmodul 22 kann so ausgelegt sein, dass bei Erzeugen der durchschnittlichen erforderlichen Leistung (oder des durchschnittlichen erforderlichen elektrischen Stroms) durch das Brennstoffzellenmodul 22 der Betriebspunkt innerhalb des optimalen Wirkungsgradbereichs liegt und die Brennstoffzelle(n), die das Brennstoffzellenmodul 22 umfasst/umfassen, während des Betriebs eine elektrische Spannung (V_FC) zwischen V₁ und V₂ aufweisen. Gemäß einer Ausführungsform ist das doppelseitige Wechselrichtersystem 32 so ausgelegt, dass es das Brennstoffzellenmodul 22 bei einem Spitzenwirkungsgrad oder einem optimalen Betriebspunkt betreibt, indem es dem Motor 20 von dem Brennstoffzellenmodul 22 währen des Betriebs des Motors 20 kontinuierliche und/oder konstante Leistung (z. B. elektrischen Strom) liefert, der einem Spitzenwirkungsgrad für die Brennstoffzelle(n) entspricht.
In einer beispielhaften Ausführungsform ist die Energiequelle 24 dafür ausgelegt, jede von dem Motor 20 benötigte Spitzenleistung (z. B. eine Leistung, die die von dem Brennstoffzellenmodul 22 gelieferte Leistung übersteigt) zu liefern und zusammen mit dem Brennstoffzellenmodul 22 effizient zu arbeiten. Wenn der Motor 20 (oder das Fahrzeug) zum Beispiel im Betrieb eine maximale erforderliche Leistung aufweist, sollte die Energiequelle 24 in der Lage sein, die Differenz zwischen der maximalen erforderlichen Leistung und der von dem Brennstoffzellenmodul 22 an den Motor 20 gelieferten Leistung zu liefern. Die Energiequelle 24 kann so gewählt oder ausgelegt sein, dass der Wirkungsgrad der Energiequelle 24 zum Vorsehen von Leistungswerten, die von Null bis zu der von dem Motor 20 geforderten Spitzenleistung reichen, maximiert oder optimiert ist. Wenn zum Beispiel die Energiequelle 24 eine Batterie ist, kann der Spannungspegel oder die chemische Zusammensetzung und/oder die Art der Batterie für den effizientesten Betrieb gewählt werden.
Unter Bezug nun auf 4 kann in einer beispielhaften Ausführungsform ein doppelseitiges Wechselrichtersystem 32 so ausgelegt sein, dass es einen Motorsteuerungsprozess 400 und weitere nachstehend beschriebene Aufgaben, Funktionen und Schritte ausführt. Die verschiedenen Aufgaben können durch Software, Hardware, Firmware oder eine beliebige Kombination derselben ausgeführt werden. Die folgende Beschreibung kann für veranschaulichende Zwecke auf vorstehend in Verbindung mit 1–3 erwähnte Elemente verweisen. In der Praxis können die Aufgaben, Funktionen und Schritte durch verschiedene Elemente des beschriebenen Systems ausgeführt werden, beispielsweise das Steuergerät 34 oder das elektronische Steuersystem 18. Es versteht sich, dass eine beliebige Anzahl weiterer oder alternativer Aufgaben aufgenommen werden kann und in einen weitgespannteren Ablauf oder Prozess, der zusätzliche, hierin nicht näher beschriebene Funktionalität aufweist, integriert werden kann.
Unter erneutem Bezug auf 4 und unter fortgesetztem Bezug auf 1–3 kann der Motorsteuerungsprozess 400 als Reaktion auf ein Signal oder einen Befehl von einem Fahrzeugsteuermodul (z. B. einer elektronischen Steuereinrichtung oder ECU) oder bei Starten eines Fahrzeugs ausgelöst werden. In einer beispielhaften Ausführungsform kann der Motorsteuerprozess 400 eine kontinuierliche und/oder konstante Leistung (oder einen elektrischen Strom) ermitteln, die durch das Brennstoffzellenmodul (Aufgabe 402) bereitzustellen ist. Gemäß einer Ausführungsform ist die kontinuierliche und/oder konstante Leistung die durchschnittliche Leistung, die von dem Motor und/oder dem Fahrzeug benötigt wird. Beruhend auf der vorzusehenden Leistung wird der erwünschte Strom- und entsprechende Spannungspegel für das Brennstoffzellenmodul so gewählt, dass er bei Bereitstellen der kontinuierlichen und/oder konstanten Leistung (d. h. elektrischer Strom) (Aufgabe 404) einem Spitzenwirkungsgradpunkt entspricht. Es versteht sich, dass der Spitzenwirkungsgradpunkt (oder optimale Betriebsbereich) für ein Brennstoffzellenmodul beruhend auf der chemischen Zusammensetzung (z. B. der Brennstoffzellenart oder der Art von Elektrolyten), den Wirkungsgradeigenschaften der Brennstoffzelle(n) und der Anzahl an Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel unterschiedlich sein kann. Der Motorsteuerprozess 400 ist dafür ausgelegt, die kontinuierliche Leistung von dem Brennstoffzellenmodul an den Motor zu liefern (Aufgabe 406). Das Steuergerät kann zum Beispiel die Wechselrichter modulieren, um ein Fließen der konstanten Leistung von dem Brennstoffzellenmodul an den Motor zu bewirken.
In einer beispielhaften Ausführungsform ist der Motorsteuerprozess 400 dafür ausgelegt, die Wechselrichter zum Bereitstellen von Leistung an den/von dem Motor und einer anderen Energiequelle beruhend auf den Echtzeit-Straßenbedingungen zu modulieren (Aufgabe 408). In einer Situation, in der z. B. der Motor und/oder das Fahrzeug mehr Leistung benötigt, als das Brennstoffzellenmodul bereitzustellen konfiguriert ist (d. h. die kontinuierliche und/oder konstante Leistung), können die Wechselrichter moduliert werden, um zusätzliche Leistung oder Spitzenleistung von der Energiequelle bereitzustellen. Wenn alternativ der Motor und/oder das Fahrzeug weniger Leistung benötigt, als das Brennstoffzellenmodul bereitstellt, können die Wechselrichter moduliert werden, um die Energiequelle unter Verwenden der von dem Brennstoffzellenmodul bereitgestellten überschüssigen Leistung zu laden. In einer beispielhaften Ausführungsform werden die Wechselrichter so moduliert, dass der mit dem Brennstoffzellenmodul 22 gekoppelte Wechselrichter 38 bezüglich des elektrischen Stroms in dem Motor 20 bei einem Leistungsfaktor Eins arbeitet. Wenn der Wechselrichter 38 bei Leistungsfaktor Eins arbeitet, kann der Wechselrichter 38 dem Motor 20 die höchst mögliche Ausgangsspannung liefern, wenn das Brennstoffzellenmodul 22 die gesamte von dem Motor 20 verbrauchte Leistung bereitstellt (z. B. benötigt der Motor Leistung, die kleiner oder gleich der mittleren Leistung ist). Der zweite Wechselrichter 40 kann jede von dem Motor 20 verbrauchte Blindleistung bereitstellen. Diese Art des Betriebs stellt eine maximale aufrechterhaltbare kontinuierliche Lastbedingung dar und minimiert den erforderlichen Nennstrom des doppelseitigen Wechselrichtersystems 32. Dies verbessert den gesamten Wirkungsgrad des Systems, da Widerstandsverluste proportional mit einem zunehmenden elektrischen Strom ansteigen. Es versteht sich, dass der erste Wechselrichter 32 nicht unter allen Bedingungen bei Leistungsfaktor Eins arbeiten muss, es aber eine höhere Systemspannung ermöglicht, wenn das Brennstoffzellenmodul Leistung bereitstellt.
Die vorstehend beschriebenen Systeme und/oder Verfahren sehen eine Möglichkeit vor, nach Erfordernis durch die Straßenbedingungen den Betriebswirkungsgrad von Brennstoffzellenfahrzeugen durch Betreiben der Brennstoffzelle bei einem Spitzenwirkungsgradpunkt und Verwenden des doppelseitigen Wechselrichtersystems zum Bereitstellen zusätzlicher Leistung von einer anderen Energiequelle zu verbessern. Der Brennstoffzellenstapel kann so ausgelegt und/oder bemessen werden, dass er bei einem Spitzenwirkungsgradpunkt eine konstante und/oder kontinuierliche Leistung bereitstellt. Analog kann die andere Energiequelle ebenfalls für einen verbesserten Wirkungsgrad gewählt oder ausgelegt werden.
Andere Merkmale des doppelseitigen Wechselrichtersystems, beispielsweise verschiedene Leistungsflüsse oder Leistungsübertragung, können ebenfalls verwirklicht werden. Die Brennstoffzelle und die Energiequelle können die Spitzenmotorlast ohne zusätzliche Leistungselektronik gemeinsam übernehmen. Wie vorstehend beschrieben wird die Leistung des Motors nicht beeinträchtigt und das befohlene Drehmoment kann immer noch in dem Motor erzeugt werden, während ein Laden der Energiequelle durch überschüssige Leistung ermöglicht wird.
Andere Ausführungsformen können das vorstehend beschriebene System und Verfahren in anderen Arten von Kraftfahrzeugen, anderen Fahrzeugen (z. B. Wasserfahrzeugen und Flugzeugen) oder in ganz anderen elektrischen Systemen verwenden, da es in jeder Situation implementiert werden kann, bei der Brennstoffzellen als Teil eines elektrischen Antriebssystems verwendet werden. Ferner können der Motor und die Wechselrichter unterschiedliche Phasenzahlen haben, und die hierin beschriebenen Systeme sollten nicht auf eine Dreiphasenkonstruktion beschränkt ausgelegt werden. Die hierin erläuterten Grundprinzipien können auf Phasensysteme höherer Ordnung ausgeweitet werden, wie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Es können andere Formen von Energiequellen verwendet werden, beispielsweise Stromquellen und Lasten, einschließlich Diodengleichrichter, Thyristorwechselrichter, Brennstoffzellen, Induktoren, Kondensatoren und/oder eine beliebige Kombination derselben.
Während in der vorstehenden eingehenden Beschreibung mindestens eine beispielhafte Ausführungsform dargestellt wurde, versteht sich, dass es eine Vielzahl von Abwandlungen gibt. Es versteht sich auch, dass die beispielhafte Ausführungsform bzw. die beispielhaften Ausführungsformen, die hierin beschrieben sind, nicht den Schutzumfang, die Anwendbarkeit oder Konfiguration des beanspruchten Gegenstands in irgendeiner Weise beschränken sollten. Vielmehr bietet die vorstehende eingehende Beschreibung dem Fachmann einen geeigneten Leitfaden zum Umsetzen der beschriebenen Ausführungsform bzw. Ausführungsformen. Es versteht sich, dass verschiedene Änderungen in der Funktion und Anordnung von Elementen vorgenommen werden können, ohne vom durch die Ansprüche festgelegten Schutzumfang abzuweichen, der zum Zeitpunkt des Einreichens dieser Patentanmeldung bekannte Entsprechungen und vorhersehbare Entsprechungen umfasst.

Claims

Elektrisches Antriebssystem für ein Fahrzeug umfassend: einen zum Bereitstellen von Antriebsleistung an das Fahrzeug ausgelegten Elektromotor; einen mit dem Elektromotor gekoppelten ersten Wechselrichter, wobei der erste Wechselrichter dafür ausgelegt ist, dem Elektromotor Wechselstrom zu liefern; eine mit dem ersten Wechselrichter gekoppelte Brennstoffzelle, wobei der erste Wechselrichter dafür ausgelegt ist, einen Leistungsfluss von der Brennstoffzelle an den Elektromotor bereitzustellen; einen mit dem Elektromotor gekoppelten zweiten Wechselrichter, wobei der zweite Wechselrichter dafür ausgelegt ist, dem Elektromotor Wechselstrom zu liefern; eine mit dem zweiten Wechselrichter gekoppelte Energiequelle, wobei der zweite Wechselrichter dafür ausgelegt ist, einen Leistungsfluss zwischen der Energiequelle und dem Elektromotor bereitzustellen; und ein mit dem ersten Wechselrichter und dem zweiten Wechselrichter gekoppeltes Steuergerät, wobei das Steuergerät dafür ausgelegt ist, während des Betriebs des Elektromotors von der Brennstoffzelle konstante Leistung zu liefern.
Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 1, wobei das Steuergerät dafür ausgelegt ist, einen Sollleistungsfluss zwischen der Energiequelle und dem Elektromotor zu erreichen.
Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 1, wobei die konstante Leistung einem Betriebspunkt mit einem Spitzenwirkungsgrad für die Brennstoffzelle entspricht.
Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 3, wobei das Fahrzeug eine durchschnittliche erforderliche Leistung während des Betriebs aufweist, wobei die konstante Leistung im Wesentlichen gleich der durchschnittlichen erforderlichen Leistung ist.
Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 3, wobei das Steuergerät dafür ausgelegt ist, dem Elektromotor von der Energiequelle Leistung zu liefern, wenn eine erforderliche Leistung während des Betriebs des Fahrzeugs größer als die konstante Leistung ist.
Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 3, wobei das Steuergerät dafür ausgelegt ist, die Energiequelle zu laden, wenn eine erforderliche Leistung während des Betriebs des Fahrzeugs kleiner als die konstante Leistung ist.
Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 3, wobei das Fahrzeug eine Spitzenleistung umfasst, die gleich einer Differenz zwischen einer maximalen erforderlichen Leistung und der konstanten Leistung ist, wobei die Energiequelle so ausgelegt ist, dass die Energiequelle effizient arbeitet, wenn sie Leistung bereitstellt, die kleiner oder gleich der Spitzenleistung ist.
Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 7, wobei die Energiequelle eine Batterie ist.
Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 1, wobei die Brennstoffzelle so ausgelegt ist, dass die konstante Leistung einem Brennstoffzellen-Betriebspunkt mit einem Spitzenwirkungsgrad entspricht.
Elektrisches Antriebssystem nach Anspruch 9, wobei das Steuergerät dafür ausgelegt ist, den ersten Wechselrichter und den zweiten Wechselrichter so zu modulieren, dass der erste Wechselrichter bei einem Leistungsfaktor Eins arbeitet.
Kraftfahrzeugantriebssystem umfassend: einen Wechselstrommotor, wobei der Wechselstrommotor während des Betriebs eine durchschnittliche erforderliche Leistung aufweist; einen mit dem Wechselstrommotor gekoppelten ersten Wechselrichter, wobei der erste Wechselrichter so ausgelegt ist, dass er dem Wechselstrommotor Wechselstrom liefert; eine mit dem ersten Wechselrichter gekoppelte Brennstoffzelle, wobei der erste Wechselrichter dafür ausgelegt ist, Leistungsfluss von der Brennstoffzelle an den Wechselstrommotor zu liefern; einen mit dem Wechselstrommotor gekoppelten zweiten Wechselrichter, wobei der zweite Wechselrichter dafür ausgelegt ist, dem Wechselstrommotor Wechselstrom zu liefern; eine mit dem zweiten Wechselrichter gekoppelte Energiequelle, wobei der zweite Wechselrichter dafür ausgelegt ist, einen Leistungsfluss zwischen der Energiequelle und dem Wechselstrommotor bereitzustellen; und ein mit dem ersten Wechselrichter und dem zweiten Wechselrichter gekoppeltes Steuergerät, wobei das Steuergerät dafür ausge legt ist, die durchschnittliche erforderliche Leistung von der Brennstoffzelle an den Wechselstrommotor zu liefern.
Kraftfahrzeugantriebssystem nach Anspruch 11, wobei die Brennstoffzelle einen Spannungspegel aufweist, wobei der Spannungspegel so gewählt ist, dass die durchschnittliche erforderliche Leistung einem Betriebspunkt mit einem Spitzenwirkungsgrad für den Spannungspegel entspricht.
Kraftfahrzeugantriebssystem nach Anspruch 12, wobei das Steuergerät dafür ausgelegt ist, die Energiequelle zu laden, wenn eine erforderliche Leistung während des Betriebs kleiner als die durchschnittliche erforderliche Leistung ist.
Kraftfahrzeugantriebssystem nach Anspruch 12, wobei das Steuergerät dafür ausgelegt ist, dem Wechselstrommotor von der Energiequelle Leistung zu liefern, wenn eine erforderliche Leistung während des Betriebs größer als die durchschnittliche erforderliche Leistung ist.
Kraftfahrzeugantriebssystem nach Anspruch 12, wobei das Steuergerät dafür ausgelegt ist, den ersten Wechselrichter und den zweiten Wechselrichter so zu modulieren, dass der erste Wechselrichter bei einem Leistungsfaktor Eins arbeitet.
Kraftfahrzeugantriebssystem nach Anspruch 11, wobei das Kraftfahrzeugantriebssystem eine Spitzenleistung gleich einer Differenz zwischen einer maximalen erforderlichen Leistung und der durchschnittlichen erforderlichen Leistung aufweist, wobei die Energiequelle so ausgelegt ist, dass die Energiequelle effizient arbeitet, wenn sie eine Leistung bereitstellt, die kleiner oder gleich der Spitzenleistung ist.
Verfahren zum Steuern eines Elektromotors unter Verwenden eines doppelseitigen Wechselrichtersystems, das mit einer Brennstoffzelle und einer Energiequelle gekoppelt ist, wobei der Elektromotor eine erforderliche Leistung aufweist, wobei das Verfahren umfasst: Liefern einer konstanten Leistung von der Brennstoffzelle an den Elektromotor, wobei die Brennstoffzelle so ausgelegt ist, dass die konstante Leistung einem Brennstoffzellen-Betriebspunkt mit einem Spitzenwirkungsgrad entspricht; wenn die erforderliche Leistung größer als die konstante Leistung ist, das Liefern von Leistung von der Energiequelle an den Elektromotor; und wenn die erforderliche Leistung kleiner als die konstante Leistung ist, das Laden der Energiequelle unter Verwenden der Brennstoffzelle.
Verfahren nach Anspruch 17, weiterhin umfassend: Betreiben eines ersten Wechselrichters, der zwischen die Brennstoffzelle und den Elektromotor gekoppelt ist, bei einem Leistungsfaktor Eins.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die konstante Leistung im Wesentlichen gleich einer durchschnittlichen erforderlichen Leistung ist.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei die Brennstoffzelle einen Spannungspegel aufweist, wobei das Verfahren weiterhin das Wählen des Spannungspegels der Brenn stoffzelle derart umfasst, dass die konstante Leistung einem Betriebspunkt mit einem Spitzenwirkungsgrad für den Spannungspegel entspricht.