DE102012215935B4

DE102012215935B4 - Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: DE102012215935B4
Application number: DE102012215935.5A
Authority: DE
Inventors: Takuya Shirasaka; Hibiki Saeki; Kazunori Watanabe; Shuichi Kazuno
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2011-09-09
Filing date: 2012-09-07
Publication date: 2016-05-19
Anticipated expiration: 2032-09-08
Also published as: DE102012215935A1; US20130063072A1; CN102991370A; US9070917B2; CN102991370B; JP2013059219A; JP5335047B2

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (12), worin eine Regenerationszeit-Festspannungs-Steuerung/Regelung implementiert wird, wo während Regeneration oder wenn das Auftreten von Regeneration zu erwarten ist, die Ausgangsspannung einer Brennstoffzelle (40) auf einen Spannungswert außerhalb eines Oxidations-Reduktions-Ablauf-Spannungsbereichs (R3) fixiert ist, wo Oxidation-Reduktion stattfindet, und die Menge von der Brennstoffzelle (40) zugeführtem sauerstoffhaltigem Gas und/oder Brenngas, als Reaktionsgas, basierend auf der elektrischen Energiemenge, die in einer Energiespeichervorrichtung (20) verbleibt, verändert wird; und bei der Regenerationszeit-Festspannungs-Steuerung/Regelung bestimmt wird, ob Regeneration stattfindet oder nicht, während sich ein mit dem Brennstoffzellensystem (12) ausgestatteter beweglicher Körper ein Gefälle hinunter bewegt, und in dem Fall, wo bestimmt wird, dass Regeneration stattfindet, während sich der bewegliche Körper (10) ein Gefälle hinunter bewegt, die Menge des der Brennstoffzelle (40) zugeführten Reaktionsgases verringert wird im Vergleich zu dem Fall, wo bestimmt wird, dass Regeneration stattfindet, während sich der bewegliche Körper (10) nicht ein Gefälle hinunter bewegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, das eine Brennstoffzelle und eine Energiespeichervorrichtung aufweist, und das in der Lage ist, elektrische Energie zu regenerieren.
In der US 2009/0029197 A1 wird ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen, das eine Verschlechterung einer im Brennstoffzellenfahrzeug oder dergleichen genutzten Brennstoffzelle unterdrücken soll, und worin in dem Brennstoffzellensystem die Stromerzeugung derart durchgeführt wird, dass das elektrische Redoxpotential vermieden wird. Selbst wenn bei diesem Brennstoffzellensystem die vom System geforderte elektrische Energie Wreq allmählich zunimmt, wird die Ausgangsspannung Vfc der Brennstoffzelle durch das Redoxpotential Voxpt begrenzt, und die der begrenzten Spannung entsprechende elektrische Energie wird durch eine angesteuerte Batterie kompensiert. Selbst wenn es danach unnötig wird, eine Stromerzeugung der Brennstoffzelle durchzuführen, z. B. durch Verkleinerung des Betätigungsgrads eines Gaspedals, wird die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle auf dem Redoxpotential oder darunter gehalten, und die Stromerzeugung wird fortgesetzt, bis die Batterierestladung einen vorbestimmten Wert überschreitet (Zusammenfassung und 3).
Ferner wird in der JP 2009-295516 A ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen, das darauf abzielt, der regenerative elektrische Energie effizient zu sammeln. Ziel dieser Druckschrift ist es, ein Brennstoffzellensystem anzugeben, das in der Lage ist, regenerative elektrische Energie und einen Traktionsmotor in einem Antriebssystem, das eine Brennstoffzelle und eine Batterie in Kombination mit der elektrischen Stromzufuhr zum Traktionsmotor verwendet, soweit wie möglich zu sammeln (Zusammenfassung). Wenn daher im Brennstoffzellensystem 20 der JP 2009-295516 A die regenerative elektrische Energie zunimmt, wird der Untergrenz-Referenzwert eines Ausgabebereichs der Brennstoffzelle 1 verringert, wodurch die elektrische Ausgangsenergie der Brennstoffzelle 1 innerhalb des Ausgabebereichs geregelt wird (Anspruch 1).
Wie oben beschrieben, wird in der US 2009/0029197 A1 die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle auf dem Redoxpotential Voxpt oder darunter gehalten. Um das Redoxpotential Voxpt fortlaufend zu vermeiden, muss die elektrische Ausgangsenergie der Brennstoffzelle groß sein, im Vergleich zu der elektrischen Energie, die von einer Last wie etwa dem Traktionsmotor angefordert wird. In diesem Fall wird von der Brennstoffzelle erzeugte überschüssige elektrische Energie der Batterie zum Laden zugeführt. Um daher das Redoxpotential Voxpt fortdauernd zu vermeiden, wird die Lade- und Entladefrequenz der Batterie hoch. Wenn die Lade- und Entladefrequenz der Batterie zunimmt, wird der elektrische Leistungsverlust aufgrund des Ladens/Entladens groß, und die Ausgabeeffizienz im Brennstoffzellensystem wird insgesamt gering.
Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben herausgefunden, dass es einen gewissen Potentialbereich gibt, wo eine Redoxreaktion auftritt. Nachfolgend wird der Spannungsbereich, wo solche Reduktions-Oxidationsreaktion auftritt, wird nachfolgend als „Redox-Ablauf-Spannungsbereich” bezeichnet.
Ferner nimmt in der Steuerung der JP 2009-295516 A der Untergrenz-Referenzwert des Ausgabebereichs der Brennstoffzelle 1 in Abhängigkeit von der Menge der regenerativen elektrischen Energie ab. Wenn jedoch der Untergrenz-Referenzwert des Ausgabebereichs abnimmt, nimmt die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 1 zu, und die Redox- oder Reduktionsreaktion eines Katalysators (Platin) kann exzessiv fortschreiten, was zu einer unerwünschten Verschlechterung der Brennstoffzelle 1 führt. Wenn ferner die von der Brennstoffzelle 1 erzeugte elektrische Energie zu stark abnimmt, indem dem Sammeln der elektrischen Regenerationsenergie Priorität gegeben wird, könnte in einem Fall, wo die erhaltene elektrische Regenerationsenergie kleiner als erwartet wird, die Batterierestladung zu niedrig werden.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems anzugeben, mit dem sich eine Verschlechterung von Brennstoffzellen unterdrücken lässt und sich elektrische regenerative Energie effizient sammeln lässt.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems gemäß Anspruch 1 angegeben.
Erfindungsgemäß wird es möglich, eine Verschlechterung der Brennstoffzelle zu unterdrücken und regenerative elektrische Energie effizient zu sammeln.
D. h., in der Erfindung wird, während der Regeneration oder wenn das Auftreten von Regeneration erwartet wird, die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle auf einen Spannungswert außerhalb des Redox-Ablauf-Spannungsbereichs, wo Oxidation-Reduktion stattfindet, gesetzt. Daher wird es möglich, eine Verschlechterung der Brennstoffzelle zu unterdrücken.
Ferner wird erfindungsgemäß während der Regeneration oder wenn das Auftreten von Regeneration erwartet wird, die Menge des der Brennstoffzelle zugeführten Reaktionsgases basierend auf der elektrischen Energiemenge verändert, welche in der Energiespeichervorrichtung verbleibt (SOC der Energiespeichervorrichtung). Ferner wird in dem Fall, wo bestimmt wird, dass Regeneration auftritt, während sich der bewegliche Körper abwärts bewegt, die Menge des der Brennstoffzelle zugeführten Reaktionsgases verringert im Vergleich zu dem Fall, wo bestimmt wird, dass Regeneration auftritt, während sich der bewegliche Körper nicht auf einem Gefälle abwärts bewegt (z. B. in dem Fall der Regeneration von elektrischer Energie durch Verzögerung auf einer flachen Straße). Selbst wenn daher das SOC der Energiespeichervorrichtung das gleiche ist, ist der Stromerzeugungsbetrag der Brennstoffzelle klein in dem Fall, wo Regeneration auftritt, während sich der bewegliche Körper ein Gefälle hinab bewegt, im Vergleich zu dem Fall, wo Regeneration in einem Zustand auftritt, wo sich der bewegliche Körper nicht ein Gefälle hinab bewegt.
Allgemein ist es sehr wahrscheinlich, dass Regeneration von elektrischer Energie, während sich der bewegliche Körper ein Gefälle hinunter bewegt, für eine längere Zeitdauer fortdauert, im Vergleich zu dem Fall der Regeneration von elektrischer Energie, während der bewegliche Körper auf einer flachen Straße verzögert wird. Der Ausdruck „Regeneration von elektrischer Energie, während sich der bewegliche Körper ein Gefälle hinunter bewegt” bedeutet Regeneration von elektrischer Energie, die durch Ausüben von Bremskraft erzeugt wird, um die Geschwindigkeit des beweglichen Körpers beizubehalten, den beweglichen Körper zu verzögern oder eine zunehmende Beschleunigung des beweglichen Körpers zu verringern, während sich der bewegliche Körper ein Gefälle hinunter bewegt (einschließlich Reduktion der Motordrehzahl). Während sich der bewegliche Körper ein Gefälle hinunter bewegt, kann die potentielle Energie des beweglichen Körpers in regenerative elektrische Energie umgewandelt werden. Daher ist anzunehmen, dass die regenerative elektrische Energie tendenziell groß ist. Somit kann in dem Fall der Regeneration von elektrischer Energie, während sich der bewegliche Körper ein Gefälle hinunter bewegt, die Energiespeichervorrichtung mit höherer elektrischer Energie geladen werden. Wenn die Brennstoffzelle die Stromerzeugung separat von einer Regenerationsstromquelle wie etwa einem Traktionsmotor, einem Regenerationsmotor etc. durchführt, kann, als Konsequenz, die Energiespeichervorrichtung nicht leicht mit der regenerativen elektrischen Energie geladen werden, und die Effizienz beim Sammeln der regenerativen elektrischen Energie kann unerwünscht absinken. Erfindungsgemäß wird in dem Fall der Regeneration von elektrischer Energie, während sich der bewegliche Körper ein Gefälle hinunter bewegt, die Menge des der Brennstoffzelle zugeführten Reaktionsgases verringert und wird die Stromerzeugungsmenge der Brennstoffzelle verringert. Daher kann, während sich der bewegliche Körper ein Gefälle hinunter bewegt, eine größere regenerative elektrische Energie der Energiespeichervorrichtung zugeführt werden, um diese zu laden.
In dem Fall, wo ein Sollwert oder ein Sollbereich des SOC des Energiespeichers gesetzt wird, und das Laden/Entladen der Energiespeichervorrichtung derart geregelt wird, dass das SOC gleich dem Sollwert wird oder das SOC in den Sollbereich fällt, könnte, wenn die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle beibehalten wird, z. B. die Energiespeichervorrichtung mit der regenerativen elektrischen Energie überladen werden, während sich der bewegliche Körper ein Gefälle hinunter bewegt. In diesem Fall wird die Frequenz des Ladens/Entladens der Energiespeichervorrichtung erhöht, und aufgrund dieses wiederholten Ladens/Entladens tritt ein elektrischer Leistungsverlust auf. Infolgedessen nimmt die Regenerationseffizienz ab. Erfindungsgemäß wird in dem Fall der Regeneration von elektrischer Energie, während sich der elektrische Körper ein Gefälle hinunter bewegt, die Menge des der Brennstoffzelle zugeführten Reaktionsgases verringert, und wird die Stromerzeugungsmenge der Brennstoffzelle verringert. Da somit die regenerative elektrische Energie, mit der die Energiespeichervorrichtung geladen wird, anstatt die von der Brennstoffzelle erzeugten elektrischen Energie, erhöht wird, kann die Menge der Energiespeichervorrichtung verbleibenden elektrischen Energie auf leichte Weise näher an den Sollwert gebracht werden, oder kann die Menge der in der Energiespeichervorrichtung verbleibenden elektrischen Energie auf leichte Weise innerhalb des Sollbereichs erhalten werden. Somit wird es möglich, die Regenerationseffizienz zu verbessern.
Falls bestimmt wird, dass Regeneration stattfindet, während sich der bewegliche Körper ein Gefälle hinunter bewegt, wird die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle auf einen Spannungswert gesetzt, der höher ist als der Redox-Ablauf-Spannungsbereich, wo Oxidation-Reduktion stattfindet, und in dem Fall, wo bestimmt wird, dass Regeneration auftritt, während sich der bewegliche Körper nicht ein Gefälle hinunter bewegt, wird die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle auf einen Wert gesetzt der niedriger ist oder höher als der Redox Ablauf-Spannungsbereich, in Abhängigkeit von der elektrischen Energiemenge, die in der Energiespeichervorrichtung verbleibt.
Allgemein wird in dem Fall, wo das Reaktionsgas der Brennstoffzelle mit dem stoichiometrischen Verhältnis zur normalen Stromerzeugung zugeführt wird, die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle hoch, wenn die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle abnimmt. Ferner wird es, wie oben beschrieben, in dem Fall der Regeneration von elektrischer Energie, während sich der bewegliche Körper ein Gefälle hinunter bewegt, durch Unterdrücken der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle, möglich, die regenerative elektrische Energie noch effizienter zu nutzen. Im Falle der Regeneration von elektrischer Energie, während sich der bewegliche Körper ein Gefälle hinunter bewegt, wird die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle relativ niedrig, indem die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle höher eingestellt wird, und im Falle der Regeneration von elektrischer Energie in einem Zustand, wo sich der bewegliche Körper nicht ein Gefälle hinunter bewegt, wird die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle relativ hoch, indem Ausgangsspannung der Brennstoffzelle niedriger eingestellt wird. Somit wird während Regeneration von elektrischer Energie, während sich der bewegliche Körper ein Gefälle hinunter bewegt, die Menge des der Brennstoffzelle zugeführten Reaktionsgases verringert, und es kann die geeignete Stromerzeugung in Abhängigkeit von der Menge des zugeführten Reaktionsgases durchgeführt werden. Im Ergebnis wird es möglich, die Stromerzeugungseffizienz des Brennstoffzellensystems zu verbessern.
Diese und andere Ziele, Merkmale und Vorteil der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich, worin bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung nur anhand von Beispielen aufgezeigt sind.
1 zeigt schematisch die Gesamtstruktur eines Brennstoffzellenfahrzeugs, das mit einem Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist;
2 zeigt ein Blockdiagramm eines Antriebssystems des Brennstoffzellenfahrzeugs;
3 zeigt schematisch die Struktur einer Brennstoffzelleneinheit gemäß der Ausführung;
4 zeigt Details eines DC/DC-Wandlers gemäß der Ausführung;
5 zeigt in einem Flussdiagramm die grundliegende Steuerung in einer elektronischen Steuerungseinheit (ECU);
6 zeigt ein Flussdiagramm zur Berechnung einer Systemlast;
7 zeigt in einem Graph die Beziehung zwischen der gegenwärtigen Drehzahl eines Motors und der geschätzten elektrischen Energie, die von dem Motor verbraucht wird;
8 zeigt in einem Graph ein Beispiel der Beziehung zwischen dem elektrischen Potential einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenstapels und der Verschlechterung der Brennstoffzelle;
9 zeigt ein zyklisches voltamperometrisches Diagramm, das ein Beispiel des Oxidationsablaufs und des Reduktionsablaufs in Fällen unterschiedlicher Geschwindigkeitsveränderungen im elektrischen Potential der Brennstoffzelle zeigt;
10 zeigt in einem Graph die Stromerzeugungssteuerung eines Brennstoffzellenstabes gemäß der Ausführung;
11 zeigt ein Flussdiagramm, wo die ECU Energiemanagement des Brennstoffzellenfahrzeugs durchführt;
12 zeigt in einem Graph eine Beziehung zwischen SOC einer Batterie und elektrischer Sollbrennstoffzellenenergie während Regeneration;
13 zeigt in einem Graph die Beziehung zwischen dem stoichiometrischen Verhältnis an der Kathode und dem Zellenstrom;
14 zeigt ein Flussdiagramm einer Festspannung/stromvariablen Regelung;
15 zeigt in einem Graph die Beziehung zwischen dem Sollbrennstoffzellenstrom und der Soll-Sauerstoffkonzentration bei der Festspannung/stromvariablen Regelung;
16 zeigt in einem Graph die Beziehung zwischen der Soll-Sauerstoffkonzentration und dem Sollbrennstoffzellenstrom und der Sollluftpumpendrehzahl und der Sollwasserpumpendrehzahl bei der Festspannung/stromvariablen Regelung;
17 zeigt in einem Graph die Beziehung zwischen der Soll-Sauerstoffkonzentration und dem Sollbrennstoffzellenstrom, um dem Sollöffnungsgrad des Gegendruckventils in der Festspannung/stromvariablen Regelung;
18 zeigt in einem Graph die Beziehung zwischen dem Sollbrennstoffzellenstrom und der Luftströmungsrate bei der Festspannung/stromvariablen Regelung;
19 zeigt in einem Graph die Beziehung zwischen dem Öffnungsgrad eines Zirkulationsventils und der Strömungsrate von Zirkulationsgas in der Festspannung/stromvariablen Regelung;
20 zeigt in einem Flussdiagramm die Drehmomentregelung des Motors;
21 zeigt ein Beispiel eines Zeitdiagramms in dem Fall der Anwendung verschiedener Steuerungen/Regelungen gemäß der Ausführung während normaler Regeneration;
22 zeigt ein Beispiel eines Flussdiagramms in dem Fall der Verwendung verschiedener Steuerungen/Regelungen gemäß der Ausführung während der Regeneration bei der Abwärtsbewegung an einem Gefälle;
23 zeigt in einem Blockdiagramm schematisch eine Struktur eines ersten modifizierten Beispiels des Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß der Ausführung;
24 zeigt in einem Blockdiagramm schematisch eine Struktur eines zweiten modifizierten Beispiels des Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß der Ausführung; und
25 zeigt in einem Blockdiagramm schematisch die Struktur eines dritten modifizierten Beispiels eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß der Ausführung.
1. Beschreibung der Gesamtstruktur
[1-1. Gesamtstruktur]
1 zeigt schematisch die Gesamtstruktur eines Brennstoffzellenfahrzeugs (beweglichen Körpers) 10 (nachfolgend als „FC Fahrzeug 10” oder „Fahrzeug 10” bezeichnet), das mit einem Brennstoffzellensystem 12 (nachfolgend als „FC System 12” bezeichnet), gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist. 2 ist ein Blockdiagramm, das ein Antriebssystem des FC Fahrzeugs 10 zeigt. Wie in den 1 und 2 gezeigt, enthält das FC Fahrzeug 10 einen Traktionsmotor 14 und einen Inverter (Hilfsvorrichtung) 16, zusätzlich zu dem FC System 12.
Das FC System 12 enthält eine Brennstoffzelleneinheit 18 (nachfolgend als „FC Einheit 18” bezeichnet), eine Hochspannungsbatterie (nachfolgend als „Batterie 20” bezeichnet) (Energiespeichervorrichtung), einen DC/DC-Wandler 22 sowie eine elektronische Steuerungseinheit (Steuervorrichtung) 24 (nachfolgend als „ECU 24” bezeichnet).
[1-2. Antriebssystem]
Der Motor 14 erzeugt eine Antriebskraft basierend auf eher von der FC Einheit 18 und der Batterie 20 zugeführten elektrischen Energie und treibt mit der Antriebskraft durch ein Getriebe 26 Räder 28 drehend an. Ferner gibt der Motor 14 durch Regeneration erzeugte elektrische Energie (regenerative elektrische Leistung Preg) [W] an die Batterie 20 oder dergleichen aus (s. 2).
Der Inverter 16 hat eine Drei-Phasen-Brückenstruktur und führt eine DC/AC-Wandlung durch, um Gleichstrom in dreiphasigen Wechselstrom umzuwandeln. Der Inverter 16 führt den Wechselstrom dem Motor 14 zu, und führt den Gleichstrom nach AC/DC-Wandlung als Resultat von Regeneration der Batterie 20 oder dergleichen durch einen DC/DC-Wandler 22 zu.
Es sollte angemerkt werden, dass der Motor 14 und der Inverter 16 gemeinsam als Last 30 bezeichnet werden. Die Last 30 kann Komponenten (Hilfsvorrichtung) enthalten, wie etwa eine Luftpumpe (Reaktionsgaszufuhrvorrichtung) 60, eine Wasserpumpe 80 und eine Klimaanlage 90, wie später beschrieben wird.
[1-3. FC System]
(1-3-1. Gesamtstruktur)
3 zeigt schematisch eine Struktur der FC Einheit 18. Die FC Einheit 18 enthält einen Brennstoffzellenstapel 40 (nachfolgend als „FC Stapel 40” oder „FC 40” bezeichnet), ein Anodensystem zum Zuführen von Wasserstoff (Brenngas) zu Anoden des FC Stapels 40 und Abführen des Wasserstoffs (Brenngases) von diesen, ein Kathodensystem zum Zuführen der Luft (sauerstoffhaltiges Gas) zu Kathoden des Brennstoffzellenstapels 40 und Abführen der Luft (sauerstoffhaltiges Gas) von diesen, ein Kühlsystem zum Kühlen des FC Stapels 40 sowie einen Zellenspannungsmonitor 42.
(1-3-2. FC Stapel 40)
Z. B. ist der FC Stapel 40 durch Stapeln von Brennstoffzellen gebildet (nachfolgend als „FC Zellen” bezeichnet), die jeweils eine Anode, eine Kathode und einen zwischen der Anode und der Kathode eingefügten Festpolymerelektrolytmembran enthalten.
(1-3-3. Anodensystem)
Das Anodensystem enthält einen Wasserstofftank 44 (Reaktionsgaszufuhrvorrichtung), einen Regler 46, einen Ejektor 48 und ein Spülventil 50. Der Wasserstofftank 44 enthält Wasserstoff als Brenngas. Der Wasserstofftank 44 ist mit dem Einlass eines Anodenkanals 52 durch ein Rohr 44a, der Regler 46, ein Rohr 46a, den Ejektor 48 und ein Rohr 48a verbunden. Somit kann der Wasserstoff im Wasserstofftank 44 dem Anodenkanal 52 durch das Rohr 44a oder dergleichen zugeführt werden. Ein Abschaltventil (nicht gezeigt) ist in dem Rohr 44a vorgesehen. Während der Stromerzeugung des FC Stapels 40 wird das Abschaltventil von der ECU 24 geöffnet.
Der Regler 46 reguliert den zugeführten Wasserstoffdruck auf einen vorbestimmten Wert und lässt den Wasserstoff ab. D. h., der Regler 46 reguliert den Druck einer stromabwärtigen Seite (Wasserstoffdruck an der Anodenseite) in Antwort auf den Druck (Pilotdruck) der Luft an der Kathodenseite, die durch ein Rohr 46b zugeführt wird. Daher wird der Wasserstoffdruck an der Anodenseite mit dem Luftdruck an der Kathodenseite gekoppelt. Wie später beschrieben, ändert sich, durch Ändern der Drehzahl oder dergleichen einer Luftpumpe 60 zum Ändern der Sauerstoffkonzentration auch der Wasserstoffdruck an der Anodenseite.
Der Ejektor 48 erzeugt einen Unterdruck durch Wasserstoffausgabe von dem Wasserstofftank 44 durch eine Düse. Durch diesen Unterdruck kann das Anodenabgas aus einem Rohr 48b abgesaugt werden.
Der Auslass des Anodenkanals 52 ist mit der Ansaugöffnung des Ejektors 48 durch das Rohr 48b verbunden. Das von dem Anodenkanal 52 abgegebene Anodenabgas fließt durch das Rohr 48b und wiederum in dem Ejektor 48, um eine Zirkulation des Anodenabgases (Wasserstoff) zu ermöglichen.
Das Anodenabgas enthält Wasserstoff, der durch die Elektrodenreaktion an den Anoden noch nicht verbraucht wurde, und Wasserdampf. Ferner ist ein Gasflüssigkeitsseparator (nicht gezeigt) an dem Rohr 48b vorgesehen, um Wasserkomponenten (Kondenswasser (Flüssigkeit) und Wasserdampf (Gas)) in dem Anodenabgas abzutrennen/wiederzugewinnen.
Ein Teil des Rohrs 48b ist durch ein Rohr 50a, ein Spülventil 50 und ein Rohr 50b mit einem Verdünnungskasten 54 verbunden, der in einem Rohr 64b vorgesehen ist, wie später beschrieben. Wenn festgestellt wird, dass die Stromerzeugung des FC Stapels 40 nicht stabil erfolgt, wird das Spülventil 50 für eine vorbestimmte Zeitdauer gemäß einer Anweisung von der ECU 24 geöffnet. In dem Verdünnungskasten 54 wird der Wasserstoff in dem Anodenabgas von dem Spülventil 50 durch das Kathodenabgas verdünnt.
(1-3-4. Kathodensystem)
Das Kathodensystem enthält die Luftpumpe 60, einen Befeuchter 62, ein Gegendruckventil (der Reaktionsgaszufuhrvorrichtung) 64, ein Zirkulationsventil (der Reaktionsgaszufuhrvorrichtung) 66, Strömungsratensensoren 68, 70 sowie einen Temperatursensor 72.
Die Luftpumpe 60 verdichtet die Außenluft (Luft) und führt die verdichtete Luft der Kathode zu. Eine Saugöffnung der Luftpumpe 60 ist mit der Außenseite (Außenseite des Fahrzeugs) durch ein Rohr 60a verbunden, und eine Auswurföffnung der Luftpumpe 60 ist mit dem Einlass eines Kathodenkanals 74 durch ein Rohr 60b, dem Befeuchter 62 und ein Rohr 62a verbunden. Wenn die Luftpumpe 60 gemäß einer Anweisung von der ECU 24 arbeitet, saugt die Luftpumpe 60 die Luft außerhalb des Fahrzeugs durch das Rohr 60a an, verdichtet die angesaugte Luft und führt die verdichtete Luft dem Kathodenkanal 74 durch das Rohr 60b oder dergleichen unter Druck zu.
Der Befeuchter 62 hält eine Vielzahl von wasserdurchlässigen Hohlfasermembranen 62e. Der Befeuchter 62 befeuchtet die vom Kathodenkanal 74 fließende Luft durch die Hohlfasermembranen 62e durch Austausch von Wasserkomponenten zwischen der Luft, die zu dem Kathodenkanal 74 fließt, und dem sehr feuchten Kathodenabgas, das von dem Kathodenkanal 74 abgegeben wird.
Ein Rohr 62b, der Befeuchter 62, ein Rohr 64a, das Gegendruckventil 64 und das Rohr 64e sind am Auslass des Kathodenkanals 74 vorgesehen. Das Kathodenabgas (sauerstoffhaltige Abgas), das von dem Kathodenkanal 74 abgegeben wird, wird durch das Rohr 62b oder dergleichen zur Außenseite des Fahrzeugs abgegeben.
Z. B. ist das Gegendruckventil 64 ein Klappenventil, und der Öffnungsgrad des Gegendruckventils 64 wird von der ECU 24 gesteuert, um den Druck der Luft in dem Kathodenkanal 74 zu regulieren. Insbesondere wenn der Öffnungsgrad des Gegendruckventils 64 klein wird, nimmt der Luftdruck in dem Kathodenkanal 74 zu, und wird die Sauerstoffkonzentration pro Volumenströmungsrate (Volumenkonzentration) hoch. Wenn hingegen der Öffnungsgrad des Gegendruckventils 64 groß wird, nimmt der Luftdruck in dem Kathodenkanal 74 ab, und die Sauerstoffkonzentration pro Volumenströmungsrate (Volumenkonzentration) wird niedrig.
Das Rohr 64b ist durch ein Rohr 66a, das Zirkulationsventil 66 und ein Rohr 66b mit dem Rohr 60a verbunden, das stromauf der Luftpumpe 60 angeordnet ist. Somit wird ein Teil des Abgases (Kathodenabgases) als Zirkulationsgas dem Rohr 60a durch das Rohr 66a, das Zirkulationsventil 66 und das Rohr 66b zugeführt. Das Zirkulationsgas wird mit der Frischluft von der Außenseite des Fahrzeugs vermischt und in die Luftpumpe 60 gesaugt.
Z. B. ist das Zirkulationsventil 66 ein Klappenventil, und der Öffnungsgrad des Zirkulationsventils 66 wird von der ECU 24 gesteuert, um die Strömungsrate des Zirkulationsgases zu regulieren.
Ein Strömungsratensensor 68 ist mit dem Rohr 60b verbunden. Der Strömungsratensensor 68 erfasst die Strömungsrate [g/s] der zum Kathodenkanal 74 fließenden Luft, und gibt die erfasste Strömungsrate an die ECU 24 aus. Der Strömungsratensensor 70 ist mit dem Rohr 66b verbunden. Der Strömungsratensensor 70 erfasst die Strömungsrate QC [g/s] des zum Rohr 60a fließenden Zirkulationsgases und gibt die erfasste Strömungsrate an die ECU 24 aus.
Ein Temperatursensor 72 ist mit dem Rohr 64a verbunden. Der Temperatursensor 72 erfasst die Temperatur des Kathodenabgases, und der Temperatursensor 72 gibt die erfasste Temperatur an die ECU 24 aus. Da die Temperatur des zirkulierenden Gases im Wesentlichen gleich der Temperatur des Kathodenabgases ist, kann die Temperatur des zirkulierenden Gases basierend auf der vom Temperatursensor 72 erfassten Temperatur des Kathodenabgases erfasst werden.
(1-3-5. Kühlsystem)
Das Kühlsystem enthält eine Wasserpumpe 80 und einen nicht dargestellten Kühler, ein nicht dargestelltes Kühlergebläse etc. Die Wasserpumpe 80 wälzt das Kühlwasser (Kühlmittel) in der FC 40 um, um hierdurch den FC Stapel 40 zu kühlen. In Folge der Kühlung des FC 40 steigt die Temperatur des Kühlwassers an, und die Wärme des Kühlwassers wird in dem Kühler abgestrahlt, der vom Kühlergebläse durchblasen wird.
(1-3-6. Zellenspannungsmonitor 42)
Der Zellenspannungsmonitor 42 ist eine Vorrichtung zum Erfassen der Zellenspannung Vcell an jener der Einheitszellen des FC Stapels 40. Der Zellenspannungsmonitor 42 enthält einen Monitorkörper und einen Kabelbaum, der den Monitorkörper mit jeder der Zelleneinheiten verbindet. Der Monitorkörper tastet alle Einheitszellen zu vorbestimmten Intervallen ab, um die Zellenspannung Vcell jeder Zelle zu detektieren, und berechnet die durchschnittliche Zellenspannung und die niedrigste Zellenspannung. Dann gibt er über Monitorkörper die durchschnittliche Zellenspannung und die niedrigste Zellenspannung an die ECU 24 aus.
(1-3-7. Antriebssystem)
Wie in 2 gezeigt, wird elektrische Energie von dem FC-Stapel 40 (nachfolgend als die „elektrische FC-Leistung Pfc”) der Luftpumpe 60, der Wasserpumpe 80, der Klimaanlage 90, einem Niederwandler 92 (DC/DC-Spannungsniederwandler), einer Niederspannungsbatterie 94, einem Zusatzgerät 96 und einer ECU 24 zugeführt, zusätzlich zu dem Inverter 16 und dem Motor 14 (während Antriebsfahrt), dem DC/DC-Wandler 22 und der Hochspannungsbatterie 20 (während des Ladens). Wie in 1 gezeigt, ist eine Rückflussverhinderungsdiode 98 zwischen der FC Einheit 18 (FC 40) und dem Inverter 16 und dem DC/DC-Wandler 22 angeordnet. Ferner wird die Stromerzeugungsspannung der FC 40 (nachfolgend die „FC Spannung Vfc”) von einem Spannungssensor 100 erfasst (4), und Energieerzeugungsstrom der FC 40 (nachfolgend als „FC Strom Ifc” bezeichnet), wird von einem Stromsensor 102 erfasst. Die FC Spannung Vfc und der FC Strom Ifc werden an die ECU 24 ausgegeben.
[1-4. Hochspannungsbatterie 20]
Die Batterie 20 ist eine Energiespeichervorrichtung (ein Energiespeicher), die eine Mehrzahl von Batteriezellen enthält. Z. B. kann eine Lithium-Ionen-Sekundärbatterie, eine Nickelwasserstoff-Sekundärbatterie oder ein Kondensator als die Batterie 20 verwendet werden. In der vorliegenden Ausführung wird die Lithium-Ionen-Sekundärbatterie verwendet. Die Ausgangsspannung [V] der Batterie 20 (nachfolgend als die „Batteriespannung Vbat” bezeichnet), wird von einem Spannungssensor 104 erfasst (2), und der Ausgangsstrom [A] der Batterie 20 (nachfolgend als „Batteriestrom Ibat” bezeichnet), wird von dem Stromsensor 106 erfasst. Die Batteriespannung Vbat und der Batteriestrom Ibat werden an die ECU 24 ausgegeben. Die ECU 24 berechnet den Restladungspegel der Batterie (Ladungszustand) (nachfolgend als „SOC” bezeichnet) [%] der Batterie 20 basierend auf der Batteriespannung Vbat und dem Batteriestrom Ibat.
[1-5. DC/DC-Wandler 22]
Der DC/DC-Wandler 22 regelt Sollwerte, mit denen die FC elektrische Leistung Pfc von der FC Einheit 18, die von der Batterie 20 zugeführte elektrische Leistung [W] (nachfolgend als elektrische Batterieleistung Pbat” bezeichnet), und die elektrische Regenerativleistung Preg von dem Motor 14 zugeführt, werden.
4 zeigt Details des DC/DC-Wandlers 22 in der vorliegenden Ausführung. Wie in 4 gezeigt, ist eine Seite des DC/DC-Wandlers 22 mit der Primärseite 1S verbunden, wo die Batterie 20 vorgesehen ist, und die andere Seite des DC/DC-Wandlers 22 ist mit der Sekundärseite 2S verbunden, nämlich die Verbindungspunkte zwischen der Last 30 und der FC 40.
Der DC/DC-Wandler 22 ist ein Auf/Ab-Spannungswandler in Zerhackerbauart zum Erhöhen der Spannung an der Primärseite 1S (Primärspannung V1) [V] auf die Spannung an der Sekundärseite 2S (Sekundärspannung V2) [V] (V1 ≤ V2), und zum Vermindern der Sekundärspannung V2 auf die Primärspannung V1.
Wie in 4 gezeigt, enthält der DC/DC-Wandler 22 einen Phasenast UA, der zwischen der Primärseite 1S und der Sekundärseite 2S eingefügt ist, sowie einen Reaktor 110.
Der Phasenast UA enthält ein oberes Astelement (ein Oberast-Schaltelement 112 und eine antiparallele Diode 114) und ein unteres Astelement (Unterast-Schaltelement 116 und eine antiparallele Diode 118). Z. B. wird jeweils im Oberast-Schaltelement 112 und dem Unterast-Schaltelement 116 ein MOSFET, IGBT oder dergleichen verwendet.
Der Reaktor 110 ist zwischen dem Mittelpunkt (gemeinsamen Verbindungspunkt) des Phasenasts UA und der positiven Elektrode der Batterie 20 angeordnet. Der Reaktor 110 hat die Funktion, während der Spannungsumwandlung zwischen der Primärspannung V1 und der Sekundärspannung V2 durch den DC/DC-Wandler 22 Energie zu akkumulieren und freizusetzen.
Das Oberast-Schaltelement 112 wird eingeschaltet, wenn der ECU 24 ein hochpegliges Gate-Treibersignal (Treiberspannung) UH ausgegeben wird, und das Unterast-Schaltelement 116 wird eingeschaltet, wenn von der ECU 24 ein hochpegliges Gate-Treibersignal (Treiberspannung) UL ausgegeben wird.
Die ECU 24 erfasst die Primärspannung V1 durch einen Spannungssensor 120, der parallel zu einem Glättungskondensator 122 an der Primärseite vorgesehen ist, und erfasst den elektrischen Strom an der Primärseite (Primärstrom I1) [A] mit einem Stromsensor 124. Ferner erfasst die ECU 24 die Sekundärspannung V2 durch einen Spannungssensor 126, der parallel zu dem Glättungskondensator 128 an der Sekundärseite vorgesehen ist, und erfasst den elektrischen Strom an der Sekundärseite (Sekundärstrom I2) [A] mit einem Stromsensor 130.
[1-6. ECU 24]
Die ECU 24 steuert/regelt den Motor 14, den Inverter 16, die FC Einheit 18, die Batterie 20 und DC/DC-Wandler 22 durch eine Kommunikationsleitung 140 (s. Z. B. 1). Zum Implementieren der Steuerung/Regelung werden in einem Speicher (ROM) gespeicherte Programme ausgeführt, und es werden Erfassungswerte verwendet, die von verschiedenen Sensoren erhalten werden, wie etwa dem Zellenspannungsmonitor 42, den Strömungsratensensoren 68, 70, dem Temperatursensor 72, den Spannungssensoren 100, 104, 120, 126 und den Stromsensoren 102, 106, 124, 130.
Zusätzlich zu den obigen Sensoren enthalten die verschiedenen Sensoren hier einen ersten Betätigungsgradsensor 150, einen zweiten Betätigungsgradsensor 151, einen Motordrehzahlsensor 152 sowie einen Gradientensensor 153 (1). Der erste Betätigungsgradsensor 150 erfasst den Betätigungsgrad θb [Grad] eines Gaspedals 154. Der zweite Betätigungsgradsensor 151 erfasst den Betätigungsgrad θp [Grad] eines Bremspedals 155. Der Drehzahlsensor 152 erfasst die Drehzahl [UpM] des Motors 14 (nachfolgend als „Motordrehzahl Nm” oder „Drehzahl Nm” bezeichnet). Die ECU 24 erfasst die Fahrzeuggeschwindigkeit V [km/h] des FC Fahrzeugs 10 basierend auf der Drehzahl Nm. Der Gradientensensor 153 erfasst eine Neigung A [°] des Fahrzeugs 10. Ferner ist ein Hauptschalter 158 (nachfolgend als „Haupt SW 158” bezeichnet) mit der ECU 24 verbunden. Der Haupt SW 158 schaltet zwischen Zufuhr und Nichtzufuhr des elektrischen Stroms von der FC Einheit 118 und der Batterie 20 zu dem Motor 14. Dieser Haupt SW 158 kann vom Benutzer betätigt werden.
Die ECU 24 enthält einen Mikrocomputer. Ferner hat, falls erforderlich, die ECU 24 einen Timer und Eingabe/Ausgabe (I/O) Schnittstellen wie etwa einen A/D-Wandler und einen D/A-Wandler. Die ECU 24 kann nur eine einzige ECU aufweisen. Alternativ kann die ECU 24 eine Mehrzahl von ECUs jeweils für den Motor 14, die FC Einheit 18, die Batterie 20 und den DC/DC-Wandler 22 aufweisen.
Nachdem die vom FC System 12 angeforderte Last, d. h. die vom FC Fahrzeug 10 angeforderten Last insgesamt basierend auf dem Zustand des FC Stapels 40, dem Zustand der Batterie 20 und dem Zustand des Motors 14 bestimmt worden ist, und auch basierend auf den Eingaben (Lastanforderungen) von verschiedenen Schaltern und verschiedenen Sensoren, bestimmt die ECU 24 eine Zuordnung (Aufteilung) von Lasten durch Einstellung, und bestimmt insbesondere einen guten Ausgleich zwischen einer Last, die dem FC Stapel 40 zugewiesen werden sollte, einer Last, die der Batterie 20 zugewiesen werden sollte, und einer Last, die der regenrativen Stromzufuhr (Motor 14) zugewiesen werden sollte, und schickt Anweisungen an den Motor 14, den Inverter 16, die FC Einheit 18, die Batterie 20 und den DC/DC-Wandler 22.
2. Steuerung Gemäß der vorliegenden Ausführung
Nachfolgend wird die Steuerung in der ECU 24 beschrieben.
[2-1. Basissteuerung]
5 ist ein Flussdiagramm, das die Basissteuerung in der ECU 24 zeigt. In Schritt S1 bestimmt die ECU 24, ob der Haupt SW 158 im EIN Zustand ist oder nicht. Wenn der Haupt SW 158 nicht im EIN Zustand ist (S1: NEIN), wird Schritt S1 wiederholt. Wenn der Haupt SW 158 in EIN Zustand ist (S1: JA), geht die Steuerung zu Schritt S2 weiter. In Schritt S2 berechnet die ECU 24 die Last (Systemlast Psys) [W], die von dem FC System 12 angefordert wird.
In Schritt S3 führt die ECU 24 ein Energiemanagement des FC Systems 12 durch. Das Energiemanagement dient hauptsächlich zum Berechnen der Stromerzeugungsmenge (elektrische FC Leistung Pfc) der FC 40 und einer Ausgabe der Batterie 20 (elektrische Batterieleistung Pbat), und zum Unterdrücken einer Verschlechterung des FC Stapels 40 und zum Verbessern der Effizienz in der Ausgabe des gesamten FC Systems 12.
In Schritt S4 implementiert die ECU 24 eine Steuerung für Peripherievorrichtungen des FC Stapels 40, d. h. die Luftpumpe 60, das Gegendruckventil 64, das Zirkulationsventil 66 und die Wasserpumpe 80 (FC Stromerzeugungssteuerung). In Schritt S5 implementiert die ECU 24 eine Drehmomentregelung des Motors 14.
In Schritt S6 stimmt die ECU 24, ob der Haupt SW 158 im AUS Zustand ist oder nicht. Wenn der Haupt SW 158 nicht im AUS Zustand ist (S6: NEIN), kehrt die Steuerung zu Schritt S2 zurück. Wenn der Haupt SW 158 im EIN Zustand ist (S6: JA), wird der gegenwärtige Prozess beendet.
[2-2. Berechnung der Systemlast Psys]
6 ist ein Flussdiagramm zur Berechnung der Systemlast Psys. In Schritt S11 liest die ECU 24 den Betätigungsgrad θp des Gaspedals 156 von dem Betätigungsgradsensor 150. In Schritt S12 liest die ECU 24 die Drehzahl Nm des Motors 14 von dem Drehzahlsensor 152.
In Schritt S13 berechnet die ECU 24 die geschätzte elektrische Leistung Pm [W], die vom Elektromotor 14 verbraucht wird, basierend auf dem Betätigungsgrad θp und der Drehzahl Nm. Insbesondere wird im in 7 gezeigten Kennfeld die Beziehung zwischen der Drehzahl Nm und der geschätzten verbrauchten Leistung Pm für jeden Betätigungsgrad θp gespeichert. Wenn z. B. der Betätigungsgrad θp θp1 ist, wird die Charakteristik 160 verwendet. In Fällen, wo die Betätigungsgrade θp gleich θp2, θp3, θp4, θp5 und θp6 sind, werden jeweils die Charakteristiken 162, 164, 166, 168 und 170 verwendet. Nachdem die Charakteristik, welche die Beziehung zwischen der Drehzahl Nm und der verbrauchten elektrischen Leistung Pm angibt, basierend auf dem Betätigungsgrad θp bestimmt worden ist, wird, basierend auf der bestimmten Charakteristik die geschätzte verbrauchte Leistung Pm entsprechend der Drehzahl Nm bestimmt.
In Schritt S14 liest die ECU 24 Daten der gegenwärtigen Betriebszustände von den Hilfsvorrichtungen. Z. B. enthalten die Hilfsvorrichtungen hier Hilfsvorrichtungen, die mit hoher Spannung betrieben werden, wie etwa die Luftpumpe 60, die Wasserpumpe 80 und die Klimaanlage 90, und Hilfsvorrichtungen, die mit niedriger Spannung betrieben werden, wie etwa die Niederspannungsbatterie 94, das Zusatzgerät 96 und die ECU 24. Z. B. wird, für den Betriebszustand der Luftpumpe 60, die Drehzahl Nap [UpM] gelesen. Für den Betriebszustand der Wasserpumpe 80 wird die Drehzahl Nwp [UpM] gelesen. Für den Betriebszustand der Klimaanlage 90 werden die Leistungseinstellungen der Klimaanlage 90 gelesen.
In Schritt S15 berechnet die ECU 24 die elektrische Leistung Pa [W], die von den Hilfsvorrichtungen verbraucht wird, in Abhängigkeit von den gegenwärtigen Betriebszuständen der Hilfsvorrichtungen. In Schritt S16 berechnet die ECU 24 die Summe der geschätzten elektrischen Leistung Pm, die vom Motor 14 verbraucht wird, und die elektrische Leistung Pa, die von den Hilfsvorrichtungen verbraucht wird, als die geschätzte elektrische Energie in dem gesamten FC Fahrzeug 10 (d. h., die Systemlast Psys).
[2-3. Energiemanagement]
Wie oben beschrieben, hat das Energiemanagement in der vorliegenden Ausführung zum Ziel, die Effizienz in der Ausgabe des gesamten FC Systems 12 zu verbessern, während einer Verschlechterung des FC Stapels 40 unterdrückt wird.
[2-3-1. Prämisse]
8 zeigt ein Beispiel der Beziehung zwischen der Spannung der FC Zelle des FC Stapels 40 (Zellenspannung Vcell) [V] und der Verschlechterung D der Zelle. D. h., eine in 8 gezeigte Kurve 180 zeigt die Beziehung zwischen der Zellenspannung Vcell und der Verschlechterung D.
In 8 schreitet in einem Bereich unterhalb des elektrischen Potentials v1 (z. B. 0,5 V) die Reduktionsreaktion von Platin (oxidiertem Platin) in der FC Zelle stark fort, und die Aggregation von Platin tritt sehr stark auf (nachfolgend als „Platin Aggregationsverstärkungsbereich R1” oder Aggregationsverstärkungsbereich R1” bezeichnet). In einem Bereich von dem elektrischen Potential v1 zu dem elektrischen Potential v2 (z. B. 0,8 V) findet die Reduktionsreaktion stabil statt (nachfolgend als „Platin Reduktionsbereich R2” oder „Reduktionsbereich R2” bezeichnet).
In einem Bereich von dem elektrischen Potential v2 zu dem elektrischen Potential v3 (z. B. 0,9 V), findet eine Oxidations-Reduktionsreaktion von Platin statt (nachfolgend als „Platin-Redox-Ablaufbereich R3” oder „Redox-Bereich R3” bezeichnet). In einem Bereich von dem elektrischen Potential v3 zum elektrischen Potential v4 (z. B. 0,95 V) findet die Oxidationsreaktion von Platin stabil statt (nachfolgend als „stabiler Platin Oxidationsbereich R4” oder „Oxidationsbereich R4” bezeichnet). In einem Bereich von dem elektrischen Potential v4 zu OCV (Leerlauf-Spannung), findet die Oxidation von Kohlenstoff in der Zelle statt (nachfolgend als „Kohlenstoffoxidationsbereich R5” bezeichnet).
Wenn, wie oben beschrieben, in 8 die Zellenspannung Vcell im Platin-Reduktionsbereich R2 oder dem stabilen Platin Oxidationsbereich R4 liegt, erfolgt die Verschlechterung der FC Zelle um ein kleineres Maß als im benachbarten Bereich. Wenn hingegen die Zellenspannung Vcell im Platin-Aggregationsverstärkungsbereich R1, dem Platin-Redox-Ablaufbereich R3 oder dem Kohlenstoffoxidationsbereich R5 liegt, erfolgt die Verschlechterung der FC Zelle auf ein größeres Maß als in dem benachbarten Bereich.
In 8 wird eine Kurve 180 auf ihrer einen Seite eindeutig bestimmt. Jedoch verändert sich in der Praxis die Kurve 180 in Abhängigkeit von einer Schwankung der Zellenspannung Vcell (Veränderungsgeschwindigkeit Acell) [V/sec] pro Zeiteinheit.
9 ist ein zyklisches voltamperometrisches Diagramm, das ein Beispiel des Oxidationsablaufs und des Reduktionsablaufs in den Fällen unterschiedlicher Veränderungsgeschwindigkeiten Acell zeigt. In 9 zeigt eine Kurve 190 einen Fall, wo die Veränderungsgeschwindigkeit Acell hoch ist, und die Kurve 122 zeigt einen Fall, wo die Veränderungsgeschwindigkeit Acell niedrig ist. Da, wie aus 9 ersichtlich, der Grad des Ablaufs von Oxidation und Reduktion in Abhängigkeit von der Veränderungsgeschwindigkeit Acell variiert, können die elektrischen Potentiale v1 bis v4 nicht notwendiger Weise eindeutig bestimmt werden. Ferner können sich die elektrischen Potentiale v1 bis v4 in Abhängigkeit von der individuellen Differenz in der FC Spannung verändern. Daher sollten bevorzugt die elektrischen Potentiale v1 bis v4 auf die theoretischen Werte, Simulationswerte oder die gemessenen Werte gesetzt werden, wobei die Fehler berücksichtigt werden.
Wenn ferner, in der Stromspannungs-(IV)-Charakteristik der FC Zelle, im Falle normaler Brennstoffzellen, die Zellenspannung Vcell abnimmt, nimmt der Zellenstrom Icell [A] zu (s. 10). Zusätzlich erhält man die Stromerzeugungsspannung (FC Spannung Vfc) des FC Stapels 40 durch Multiplizieren der Zellenspannung Vcell mit der Serienverbindungszahl Nfc im FC Stapel 40. Die Serienverbindungszahl Nfc bezeichnet die Anzahl von FC Zellen, die in dem FC Stapel 40 seriell verbunden sind. Die Serienverbindungszahl Nfc wird einfach auch als „Zellenzahl” bezeichnet.
Im Hinblick auf das oben stehende wird in der vorliegenden Ausführung während des Spannungs-Umwandlungsbetriebs des DC/DC-Wandlers, die Sollspannung (Soll-FC-Spannung Vfctgt) des FC Stapels 40 hauptsächlich in dem Platin Reduktionsbereich R2 gesetzt, und wird, falls erforderlich, in den stabilen Platin Oxidationsbereich R4 gesetzt (spezifische Beispiele werden in Bezug auf z. B. 10 beschrieben). Durch dieses Umschreiben der Soll-FC-Spannung Vfctgt kann die Zeit, wo die FC Spannung Vfc in den Bereichen R1, R3 und R5 liegt (insbesondere im Platin-Redox-Ablaufbereich R3) soweit wie möglich reduziert werden, wodurch eine Verschlechterung des FC Stapels 40 verhindert werden kann.
In dem obigen Prozess könnte die dem FC Stapel 40 zugeführte elektrische Energie (elektrische FC Leistung Pfc) nicht gleich der Systemlast Psys sein. Wenn in dieser Hinsicht die elektrische FC Leistung Pfc kleiner als die Systemlast Psys ist, wird die fehlende elektrische Energie von der Batterie 20 zugeführt. Wenn ferner die elektrische FC Leistung Pfc die Systemlast Psys überschreitet, wird die Batterie 20 mit der überschüssigen elektrischen Energie der elektrischen FC Leistung Pfc geladen.
In 8 sind die elektrischen Potentiale v1 bis v4 als spezifische numerische Werte spezifiziert, zur Implementierung der später beschriebenen Steuerung. Die numerischen Werte werden lediglich zur einfacheren Steuerung bestimmt. Anders ausgedrückt, wie aus der Kurve 180 ersichtlich, können, da sich die Verschlechterung D kontinuierlich ändert, die elektrischen Potentiale v1 bis v4 in Abhängigkeit von der Regelungsspezifikation geeignet bestimmt werden.
Der Platin-Reduktionsbereich R2 enthält einen Minimalwert der Kurve 180 (erster Minimalwert V1 mi1). Der Platin-Redox-Ablaufbereich R3 enthält einen Maximalwert der Kurve 180 (Maximalwert V1 mx). Der stabile Platin-Oxidationsbereich R4 enthält einen anderen Minimalwert (zweiter Minimalwert V1 mi2) der Kurve 180.
(2-3-2. Im Energiemanagement verwendete Stromerzeugungssteuerung der FC 40)
10 ist ein Graph, der die Stromerzeugungssteuerung/Regelung der FC 40 gemäß der Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt. In der Ausführung der vorliegenden Erfindung werden, als beim Energiemanagement verwendete Stromerzeugungssteuerung/Regelung (Verfahren zum Steuern/Regeln der elektrischen Stromversorgung) hauptsächlich zwei Typen von Stromerzeugungssteuerungen verwendet. D. h., in der Ausführung der vorliegenden Erfindung werden, als Stromerzeugungssteuerung eine spannungsvariable/stromvariable Steuerung/Regelung (spannungsvariable/ausgangsvariable Steuerung/Regelung) und Festspannung/stromvariable Steuerung/Regelung (Festspannung/ausgangsvariable Steuerung/Regelung) umschaltbar verwendet. Bei der spannungsvariablen/stromvariablen Steuerung/Regelung sind sowohl die Soll-FC-Spannung Vfcgt als auch der FC Strom Ifc (elektrische FC Leistung Pfc) variabel. Bei der Festspannung/stromvariablen Steuerung/Regelung ist die Soll-FC-Spannung Vfctgt fest, und der FC Strom Ifc (elektrische FC Leistung Pfc) ist variabel.
Die spannungsvariable/stromvariable Steuerung/Regelung wird hauptsächlich dann verwendet, wenn die Systemlast Psys relativ hoch ist. In dem Zustand, wo die Soll-Sauerstoffkonzentration Cotgt fest ist (oder Sauerstoff im reichen Zustand gehalten wird), wird die Soll-FC-Spannung Vfctgt eingestellt, um den FC Strom Ifc zu steuern/regeln. Auf diese Weise kann grundlegend die Systemlast Psys mit der elektrischen FC Leistung Pfc gedeckt werden.
Die Festspannung/stromvariable Steuerung/Regelung wird hauptsächlich dann verwendet, wenn die Systemlast Psys relativ niedrig ist, oder während Regeneration. Die Sollzellenspannung Vcelltgt (= Soll-FC-Spannung Ffctgt/Zellenzahl) ist auf ein elektrisches Referenzpotential (in der vorliegenden Ausführung das elektrische Potential v2 (= 0,8 V) oder das elektrische Potential v3 (= 0,9 V)) fixiert, was außerhalb des Oxidationsbereichs R3 liegt, und die Soll-Sauerstoffkonzentration Cotgt ist variabel, wodurch der elektrische FC Strom Ifc variabel gemacht wird (obwohl es eine teilweise Ausnahme gibt). Auf diese Weise wird das grundlegend möglich, die Systemlast Psys mit der elektrischen FC Leistung Pfc zu decken (wie später im Detail beschrieben). Der Mangel an elektrischer FC Leistung Pfc wird durch Unterstützung der Batterie 20 ergänzt.
(2-3-3. Gesamtfluss des Energiemanagements)
11 ist ein Flussdiagramm, wo die ECU 24 das Energiemanagement des FC Systems 12 durchführt (S3 in 5). In Schritt S21 bestimmt die ECU 24, ob der Motor 14 (oder das Fahrzeug 10) elektrische Energie regeneriert oder nicht. Z. B. erfolgt die Bestimmung durch Feststellung der Richtung des elektrischen Stroms (ob der elektrische Strom zum Motor 14 hin fließt oder vom Motor 14 weg fließt) mit einem Stromsensor (z. B. dem Stromsensor 124 oder dem Stromsensor 130). Alternativ könnte die Bestimmung basierend auf dem Änderungsbetrag der Motordrehzahl Nm pro Zeiteinheit beruhen (d. h., der Zunahme oder Abnahme der Motordrehzahl Nm). Alternativ ist es möglich, basierend auf dem Betätigungsbetrag einer Fußbremse (nicht gezeigt) zu bestimmen, ob der Motor 14 elektrische Energie regeneriert oder nicht.
Wenn der Motor 14 keine elektrische Energie regeneriert (S21: NEIN), implementiert in Schritt S22 die ECU 24 die normale Energiemanagementsteuerung. Bei der normalen Energiemanagementsteuerung wird die spannungsvariable/stromvariable Steuerung/Regelung oder die Festspannung/stromvariable Steuerung/Regelung gemäß der Systemlast Psys verwendet.
Wenn der Motor 14 elektrische Energie regeneriert (S21: JA), bestimmt die ECU 24 den Schritt S23, ob das Fahrzeug 10 ein Gefälle hinunterfährt oder nicht. Der Begriff „ein Gefälle hinunterfährt” bedeutet, dass das Fahrzeug 10 auf einem Gefälle abwärts fährt. Die Bestimmung, ob das Fahrzeug 10 ein Gefälle hinunterfährt oder nicht, kann basierend auf einer Neigung A des Fahrzeugs 10 erfolgen, die von dem Gradientensensor 153 erfasst wird. Alternativ kann die Bestimmung, ob das Fahrzeug 10 ein Gefälle hinunterfährt, unter Verwendung der Beziehung zwischen dem Betätigungsgrad θp des Gaspedals 156 und der Fahrzeuggeschwindigkeit V erfolgen, basierend auf der Tatsache, dass, während das Fahrzeug 10 ein Gefälle hinunterfährt, obwohl der Betätigungsgrad θp des Gaspedals 156 klein ist, die Fahrzeuggeschwindigkeit V hoch wird. Alternativ kann die Bestimmung, ob das Fahrzeug 10 ein Gefälle hinunterfährt, unter Verwendung der Beziehung zwischen dem Betätigungsgrad θb des Bremspedals 155 und der Fahrzeuggeschwindigkeit V basierend auf der Tatsache erfolgen, dass, während das Fahrzeug 10 ein Gefälle hinunterfährt, obwohl das Bremspedal 155 gedrückt ist, die Verzögerung des Fahrzeugs 10 klein wird. Alternativ kann die Bestimmung, ob das Fahrzeug 10 das Gefälle hinunterfährt, basierend auf dem Zustand der Bremsbetätigung durch den Motor 13 erfolgen (Bremsung durch Funktion des Motors 14, sog. Motorbremsung).
Wenn das Fahrzeug 10 nicht ein Gefälle hinunter fährt (S23: NEIN), regeneriert das Fahrzeug 10 elektrische Energie in einem Zustand, wo das Fahrzeug 10 kein Gefälle hinunterfährt (z. B. in dem Zustand, wo das Fahrzeug durch das gedrückte Bremspedal 155 verzögert wird oder durch automatische Bremsung durch ECU 24 während Fahrt auf flacher Straße) (nachfolgend wird die Regeneration von elektrischer Energie in diesem Zustand als „normale Regeneration” bezeichnet). In diesem Fall setzt in Schritt S24 die ECU 24 die elektrische Soll-FC-Leistung Pfctgt für normale Regeneration in Abhängigkeit von dem SOC der Batterie 20.
12 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen dem SOC der Batterie 20 und der elektrischen Soll-FC-Leistung Pfctgt während Regeneration zeigt. Wie in 12 gezeigt, wird während normaler Regeneration, wenn der SOC ansteigt, die elektrische Soll-FC-Leistung Pfctgt zwischen dem Untergrenzsetzwert SOClow und dem Obergrenzsetzwert SOCup verringert.
Wenn in Schritt S23 das Fahrzeug 10 ein Gefälle hinunterfährt (S23: JA), erzeugt der Motor 14 elektrische Energie in einem Zustand, wo das Fahrzeug 10 ein Gefälle hinunterfährt. In diesem Fall setzt in Schritt S25 die ECU 24 eine elektrische Soll-FC-Leistung Pfctgt für Regeneration von elektrischer Energie bei Abwärtsfahrt in Abhängigkeit vom SOC der Batterie 20. Insbesondere wenn, wie in 12 gezeigt, während Regeneration der elektrischen Energie bei Abwärtsfahrt der SOC im Bereich des Untergrenzsetzwerts SOClow liegt, wird die elektrische Soll-FC-Leistung Pfctgt scharf verringert, und wenn der SOC oberhalb des Untergrenzsetzwerts SOClow liegt, wird die elektrische Soll-FC-Leistung Pfctgt auf den Minimalwert Pfcmin (z. B. Null) gesetzt.
In Schritt S26 bestimmt ECU 24, ob die in Schritt S24 oder in Schritt S25 gesetzte Soll-FC-Leistung Pfctgt auf einem Schwellenwert THP1 oder darunter liegt. Der Schwellenwert THP1 wird zur Bestimmung verwendet, ob die regenerative elektrische Leistung Preq des Motors 14 einen relativ niedrigen Wert hat oder nicht (ob die elektrische Soll-FC-Leistung Pfctgt einen relativ hohen Wert hat oder nicht). Z. B. entspricht der Schwellenwert THP1 der elektrischen FC Leistung Pfc, wenn die FC Spannung Vfc das elektrische Potential v2 (= 0,8 V) × Zellenzahl hat, in dem Fall, wo die Sauerstoffkonzentration Co normal ist (s. Punkt A in 10).
Wenn die elektrische Soll-FC-Leistung Pfctgt nicht auf dem Schwellenwert THP1 oder darunter liegt (S26: NEIN), entspricht die elektrische Soll-FC-Leistung Pfctgt einer relativ niedrigen regenerativen elektrischen Leistung Preg. In diesem Fall geht die Steuerung zum obigen Schritt S22 weiter. Wenn die elektrische Soll-FC-Leistung Pfctgt auf dem Schwellenwert THP1 oder darunter liegt (S26: JA), entspricht die elektrische Soll-FC-Leistung Pfctgt einer regenerativen elektrischen Leistung, die nicht relativ niedrig ist. In diesem Fall geht die Steuerung zu Schritt S27 weiter.
In Schritt S27 bestimmt die ECU 24, ob die elektrische Soll-FC-Leistung Pfctgt, die in Schritt S24 oder Schritt S25 gesetzt ist, auf dem Schwellenwert THP2 oder darunter liegt oder nicht. Der Schwellenwert THP2 wird zur Bestimmung verwendet, ob die elektrische Soll-FC-Leistung Pfctgt, die der regenerativen elektrischen Leistung Preg des Motors 14 entspricht, einen relativ mittleren Wert hat. Z. B. entspricht der Schwellenwert THP2 der elektrischen FC Leistung Pfc, wenn die FC Spannung Vfc das elektrische Potential v3 (= 0,9 V) × Zellenzahl hat, in dem Fall, wo die Sauerstoffkonzentration normal ist (s. Punkt C in 10).
Wenn die elektrische Soll-FC-Leistung Pfctgt nicht auf dem Schwellenwert THP2 oder darunter liegt (S27: NEIN), ist die elektrische Soll-FC-Leistung Pfctgt größer als der Schwellenwert THP2 und gleich oder kleiner als der Schwellenwert THP1 (THP2 < Pfctgt ≤ THP1), und entspricht einer relativ mittleren regenerativen elektrischen Leistung Preg. In diesem Fall geht die Steuerung zu Schritt S28 weiter.
In Schritt S28 fixiert die ECU 24 die FC Sollspannung Vfctgt auf 0,8 V × Zellenzahl und implementiert die Festspannung/stromvariable Steuerung/Regelung. Insbesondere wird in 10 die Sauerstoffkonzentration Co derart geregelt, dass sich der Zellenstrom Icell zwischen dem Punkt A und dem Punkt B ändert.
Wenn die elektrische Soll-FC-Leistung Pfctgt auf dem Schwellenwert THP2 oder darunter liegt (S27: JA), entspricht die elektrische Soll-FC-Leistung Pfctgt einer relativ hohen regenerativen elektrischen Leistung Preg. In diesem Fall fixiert, in Schritt S29, die ECU 24 die Soll-FC-Spannung Vfctgt auf 0,9 V × Zellenzahl und implementiert die Festspannung/stromvariable Steuerung/Regelung. Insbesondere wird in 10 die Sauerstoffkonzentration Co derart geregelt, dass sich der Zellenstrom Icell der zwischen dem Punkt C und dem Punkt D ändert. Es sollte angemerkt werden, dass in dem Fall, wo die elektrische Soll-FC-Leistung Pfctgt Null ist, der Betrieb der Luftpumpe 60 gestoppt wird, und die aktive Stromerzeugung der FC 40 (aus der das Restgas verbrauchenden Stromerzeugung) gestoppt wird.
Es sollte ferner angemerkt werden, dass bei den allgemeinen Charakteristiken von Brennstoffzellen die Verschlechterung der Brennstoffzelle fortschreitet, wenn sich die Ausgangsspannungs scharf ändert. Insbesondere wenn die Leistung der Brennstoffzelle niedrig ist (Ausgangsspannung hoch ist), wird diese Tendenz merklich. Um in dieser Hinsicht, im Flussdiagramm von 11, scharfe Änderungen in der FC Spannung Vfc während des Regenerationsbeginns der elektrischen Energie durch den Motor 14 zu vermeiden, ist es bevorzugt, den Begrenzungsprozess des Änderungsbetrags der Soll-FC-Spannung Vfctgt pro Zeiteinheit durchzuführen (oder in jedem Berechnungszyklus) (nachfolgend als „Ratenbegrenzungsprozess” bezeichnet). Da die Soll-FC-Spannung Vfctgt mit dem Soll-FC-Strom Ifctgt und der elektrischen Soll-FC-Leistung Pfctgt korrigiert, könnte der Ratenbegrenzungsprozess auf den Soll-FC-Strom Ifctgt und die elektrische Soll-FC-Leistung Pfctgt angewendet werden.
(2-3-4. spannungsvariable/stromvariable Steuerung/Regelung)
Wie oben beschrieben, wird die spannungsvariable/stromvariable Steuerung/Regelung hauptsächlich dann verwendet, wenn die Systemlast Psys relativ hoch ist. In dem Zustand, wo die Soll-Sauerstoffkonzentration Cotgt fest ist (oder der Sauerstoff in einem reichen Zustand gehalten wird), wird die Soll-FC-Spannung Vfctgt so eingestellt, dass der FC Strom Ifc gesteuert/geregelt wird.
D. h., wie in 10 gezeigt, dass bei der spannungsvariablen/stromvariablen Steuerung/Regelung die normale Stromspannungscharakteristik einer FC 40 (I–V Charakteristik, in 10 mit der durchgehenden Linie angegeben) verwendet wird. Wie im Falle der normalen Brennstoffzelle nimmt in der I–V Charakteristik der FC 40, der Zellenstrom Icell (FC Strom Ifc) zu, wenn die Zellenspannung Vcell (FC Spannung Vfc) abnimmt. Somit wird bei der spannungsvariablen/stromvariablen Steuerung/Regelung der Soll-FC-Strom Ifctgt in Abhängigkeit von der Systemlast Psys berechnet, und die Soll-FC-Spannung Vfctgt wird entsprechend dem Soll-FC-Strom Ifctgt berechnet. Die ECU 24 steuert/regelt den DC/DC-Wandler 22 derart, dass die FC Spannung Vfc auf die Soll-FC-Spannung Vfctgt justiert wird. D. h., die Primärspannung V1 wird vom DC/DC-Wandler 22 derart angehoben, dass die Sekundärspannung V2 auf die Soll-FC-Spannung Vfctgt justiert wird, wodurch die FC Spannung Vfc geregelt wird und der FC Strom Ifc geregelt wird.
Der Ausdruck „Sauerstoff ist im reichen Zustand” bedeutet, dass der Sauerstoff in einem Zustand ist, wo z. B., wie in 13 gezeigt, der Zellenstrom Icell auf einem konstanten Pegel gehalten wird, auch wenn das kathodenseitige stoichiometrische Verhältnis erhöht wird. In diesem Zustand ist Sauerstoff mit normalem stoichiometrischen Verhältnis oder mehr vorhanden, wo Sauerstoff im Wesentlichen gesättigt ist. Die Bedeutung des Ausdrucks „Wasserstoff ist im reichen Zustand” ist in der gleichen Weise zu verstehen. Das kathodenseitige stoichiometrische Verhältnis bedeutet hier die Strömungsrate der Luft, die dem Kathodenkanal 74 zugeführt wird/die Strömungsrate der Luft, die durch Stromerzeugung in der FC 40 verbraucht wird, und steht in enger Beziehung zur Sauerstoffkonzentration Co im Kathodenkanal 74. Das kathodenseitige stoichiometrische Verhältnis wird z. B. durch Steuern/Regeln der Sauerstoffkonzentration Co eingestellt.
Bei der oben beschriebenen spannungsvariablen/stromvariablen Steuerung/Regelung kann, auch wenn die Systemlast Psys hoch ist, grundliegend die gesamte Systemlast Psys mit der elektrischen FC Leistung Pfc gedeckt werden.
(2-3-5. Festspannung/stromvariable Steuerung/Regelung)
Wie oben beschrieben, wird die Festspannung/stromvariable Steuerung/Regelung hauptsächlich dann verwendet, wenn die Systemlast Psys niedrig ist, oder während Regeneration. Die Sollzellenspannung Vcelltgt (= Soll-FC-Spannung Vfctgt/Zellenzahl) wird auf ein elektrisches Referenzpotential fixiert (in der vorliegenden Ausführung das elektrische Potential v2 (= 0,8 V) oder das elektrische Potential v3 (= 0,9 V)), was außerhalb des Redox Bereichs R3 liegt, und die Soll-Sauerstoffkonzentration Cotgt ist variabel. Daher ist auch der FC Strom variabel.
D. h., wie in 10 gezeigt, wird bei der Festspannung/stromvariablen Steuerung/Regelung, während die Zellenspannung Vcell auf konstantem Pegel gehalten wird, die Sauerstoffkonzentration Co verringert, indem die Soll-Sauerstoffkonzentration Cotgt verringert wird. Wenn, wie in 13 gezeigt, das kathodenseitige stoichiometrische Verhältnis (Sauerstoffkonzentration Co) verringert wird, wird dementsprechend die Zellenspannung Icell (FC Strom Ifc) verringert. Daher wird es in dem Zustand, wo die Zellenspannung Vcell auf konstantem Pegel gehalten wird, indem die Soll-Sauerstoffkonzentration Cotgt erhöht oder verringert wird, möglich, den Zellenstorm Icell (FC Strom Ifc) und die elektrische FC Leistung Pfc zu steuern/regeln. Der Mangel der elektrischen FC Leistung Pfc wird durch Unterstützung der Batterie 20 ergänzt.
14 ist ein Flussdiagramm, die Festspannung/stromvariable Steuerung/Regelung zeigt (S28, S29 in 11). In Schritt S31 fixiert die ECU 24 die Soll-FC-Spannung Vfctgt auf ein elektrisches Referenzpotential (in der vorliegenden Ausführung, das elektrische Potential v2 (= 0,8 V) × Zellenzahl oder das elektrische Potential v3 (= 0,9 V) × Zellenzahl) durch Justierung der Spannungs-Anhebungsrate des DC/DC-Wandlers 22, wobei das elektrische Referenzpotential auf ein elektrisches Potential außerhalb des Redox Bereichs R3 gelegt wird. In Schritt S32 berechnet die ECU 24 den Soll-FC-Strom Ifctgt entsprechend der Systemlast Psys.
In Schritt S33 berechnet ECU 24 die Soll-Sauerstoffkonzentration Cotgt entsprechend dem Soll-FC-Strom Ifctgt unter der Voraussetzung, dass die Soll-FC-Spannung Vfctgt auf dem elektrischen Referenzpotential liegt (s. 10 und 15). 15 zeigt die Beziehung zwischen dem Soll-FC-Strom Ifctgt und der Soll-Sauerstoffkonzentration Cotgt, wenn die FC Spannung Vfc auf dem elektrischen Referenzpotential liegt.
In Schritt S34 berechnet die ECU 24 in Abhängigkeit von der Soll-Sauerstoffkonzentration Cotgt Anweisungswerte und schickt diese zu den jeweiligen Komponenten. Die Anweisungswerte enthalten hierin die Drehzahl der Luftpumpe 60 (nachfolgend als „Luftpumpendrehzahl Nap” bezeichnet, oder die „Drehzahl Nap”), die Drehzahl der Wasserpumpe 80 (nachfolgend als „Wasserpumpendrehzahl Nwp” oder Drehzahl Nwp” bezeichnet), den Öffnungsgrad des Gegendruckventils 64 (nachfolgend als „Gegendruckventilöffnungsgrad θbp” oder „Öffnungsgrad θbp” bezeichnet) und den Öffnungsgrad des Zirkulationsventils 66 (nachfolgend als „Zirkulationsventilöffnungsgrad θc” oder „Öffnungsgrad θc” bezeichnet).
D. h., wie in den 16 und 17 gezeigt, die Sollluftpumpendrehzahl Naptgt, die Sollwasserpumpendrehzahl Nwptgt und der Sollgegendrucköffnungsgrad θbptgt werden in Abhängigkeit von der Soll-Sauerstoffkonzentration Cotgt (oder dem Soll-FC-Strom Ifctgt) bestimmt. Ferner wird der Sollöffnungsgrad θctgt des Zirkulationsventils 66 auf einen Anfangswert gesetzt (einen Öffnungsgrad, wo kein Zirkulationsgas vorhanden ist).
In Schritt S35 bestimmt die ECU 24, ob die Stromerzeugung durch die FC 40 stabil erfolgt oder nicht. Wenn bei der Bestimmung die niedrigste Zellenspannung, die von dem Zellenspannungsmonitor 42 eingegeben wird, niedriger ist als die Spannung, die man durch Subtrahieren einer vorbestimmten Spannung von der durchschnittlichen Zellenspannung erhält (niedrigste Zellenspannung < (durchschnittliche Zellenspannung – vorbestimmte Spannung)), bestimmt die ECU 24, dass die Stromerzeugung der FC 40 nicht stabil ist. Z. B. können experimentelle Werte, Simulationswerte oder dergleichen als die vorbestimmte Spannung benutzt werden.
Wenn die Stromerzeugung stabil ist (S35: JA), wird der gegenwärtige Prozess beendet. Wenn die Stromerzeugung nicht stabil ist (S35: NEIN), überwacht die ECU 24 in Schritt S36 die Strömungsrate Qc [g/s] des Zirkulationsgases durch den Strömungsratensensor 70, erhöht den Öffnungsgrad θc des Zirkulationsventils 66 und erhöht die Strömungsrate Qc um eine Stufe (s. 18). 18 zeigt einen Fall, wo dann, wenn das Zirkulationsventil 66 vollständig geöffnet ist, die Strömungsrate Qc auf die vierte Stufe auf die maximale Strömungsrate, erhöht wird.
Wenn der Öffnungsgrad θc des Zirkulationsventils 66 erhöht wird, wird in dem in die Luftpumpe 60 gesaugten Gas, der Anteil des Zirkulationsgases erhöht. D. h., in dem Sauggas wird der Anteil des Zirkulationsgases in dem Verhältnis zwischen der (Frischluft in der von der Außenseite des Fahrzeugs angesaugten Luft) und dem Zirkulationsgas erhöht. Daher wird eine Verbesserung der Fähigkeit erreicht, Sauerstoff auf alle Zelleneinheiten zu verteilen. Die Sauerstoffkonzentration Co des Zirkulationsgases (Kathodenabgases) ist niedrig im Vergleich zur Sauerstoffkonzentration der Frischluft. Wenn daher die Drehzahl Nap der Luftpumpe 60 und der Öffnungsgrad θbp des Gegendruckventils 64 vor und nach der Steuerung des Öffnungsgrads θc des Zirkulationsventils 66 die gleichen sind, wird die Sauerstoffkonzentration Co des durch den Kathodenkanal 74 fließenden Gases verringert.
Somit wird in Schritt S36 bevorzugt die Steuerung zum Erhöhen der Drehzahl Nap der Luftpumpe 60 und/oder die Steuerung zum Verringern des Öffnungsgrades θbp des Gegendruckventils 64 in Zuordnung zur zunehmenden Strömungsrate Qc des Zirkulationsgases implementiert, so dass die in Schritt S33 berechnete Soll-Sauerstoffkonzentration Cotgt eingehalten wird.
Z. B. ist es in dem Fall, wo die Strömungsrate Qc des Zirkulationsgrades erhöht wird, bevorzugt, die Drehzahl Nap der Luftpumpe 60 zu erhöhen, um hierdurch die Strömungsrate der Frischluft zu erhöhen. Weil durch diesen Vorgang die Strömungsrate des Gases (des Mischgases aus Frischluft und Zirkulationsgas), das zu dem Kathodenkanal 74 hin fließt, insgesamt erhöht wird, erreicht man eine weitere Verbesserung in der Fähigkeit, Sauerstoff zu allen Zelleneinheiten zu verteilen, und die Stromerzeugungsleistungsfähigkeit der FC 40 kann leicht wiederhergestellt werden.
Weil auf diese Weise das Zirkulationsgas mit der Frischluft vermischt wird, während die Soll-Sauerstoffkonzentration Cotgt beibehalten wird, wird die Volumenströmungsrate [L/s] des durch den Kathodenkanal 74 fließenden Gases erhöht. Da somit die Volumenströmungsrate des Gases erhöht wird, während die Soll-Sauerstoffhaltiges-Gaskonzentration Cotgt beibehalten wird, kann das Gas glattgängig zu dem gesamten Kathodenkanal 74 hin verteilt werden, der in der FC 40 kompliziert ausgebildet ist. Das Gas kann auch auf leichte Weise jeder Zelleneinheiten zugeführt werden, und man kann auf leichte Weise eine instabile Stromerzeugung der FC 40 vermeiden. Ferner können Wassertröpfchen (z. B. Kondenswasser), die an den Oberflächen von MEAs (Membranelektrodenanordnungen) oder Wandoberflächen, die den Kathodenkanal 74 umgeben, anhaften, leicht beseitigt werden.
Im Schritt S37 bestimmt die ECU 24, ob die vom Strömungsratensensor 70 erfasste Strömungsrate Qc des Zirkulationsgases gleich oder größer als der obere Grenzwert ist oder nicht. Der obere Grenzwert dient als Bestimmungskriterium und ist auf einen Wert gesetzt, wo der Öffnungsgrad θc des Zirkulationsventils 66 vollständig geöffnet ist.
In diesem Fall wird auch dann, wenn sich der Öffnungsgrad θc des Zirkulationsventils 66 nicht ändert und die Drehzahl Nap der Luftpumpe 60 erhöht wird, die vom Strömungsratensensor 70 erfasste Strömungsrate Qc des Zirkulationsgases erhöht. Daher ist vorzugsweise der obere Grenzwert der Luftpumpendrehzahl Nap zugeordnet, d. h., wenn die Drehzahl Nap der Luftpumpe 60 groß wird, wird der obere Grenzwert erhöht.
Wenn bestimmt wird, dass die Strömungsrate Qc des Zirkulationsgases kleiner als die Obergrenze ist (S37: NEIN), kehrt der Prozess zu Schritt S35 zurück. Wenn bestimmt wird, dass die Strömungsrate Qc des Zirkulationsgases gleich oder größer als die Obergrenze ist (S37: JA), geht der Prozess zu Schritt S38 weiter.
In den Schritten S36 und S37 wird der Prozess basierend auf der Strömungsrate Qc des Zirkulationsgases ausgeführt, die direkt von dem Strömungsratensensor 70 erfasst wird. Alternativ kann der Prozess auch basierend auf dem Zirkulationsventilöffnungsgrad θc ausgeführt werden. D. h., in Schritt S36 kann der Zirkulationsventilöffnungsgrad θc in Inkrementen einer Stufe (z. B. 30°) erhöht werden, und in Schritt S37 kann, wenn das Zirkulationsventil 66 vollständig geöffnet ist (S37: JA), der Prozess zu Schritt S38 weitergehen.
Ferner kann in diesem Fall die Strömungsrate Qc [g/s] des Zirkulationsgases basierend auf dem Öffnungsgrad θc des Zirkulationsventil 66, der Temperatur des Zirkulationsgases und dem Kennfeld in 19 berechnet werden. In der in 19 gezeigten Beziehung wird, wenn die Temperatur des Zirkulationsgases zunimmt, die Dichte des Zirkulationsgases niedrig, und daher wird die Strömungsrate Qc [g/s] niedrig.
In Schritt S38 bestimmt, in der gleichen Weise wie in Schritt S35, die ECU 24, ob die Stromerzeugung stabil erfolgt oder nicht. Wenn die Stromerzeugung stabil durchgeführt wird (S38: JA), wird der gegenwärtige Prozess beendet. Wenn die Stromerzeugung nicht stabil durchgeführt wird (S38: NEIN), erhöht die ECU 24 in Schritt S39 die Soll-Sauerstoffkonzentration Cotgt um eine Stufe (näher zur normalen Konzentration hin). Insbesondere erfolgt die Erhöhung der Drehzahl Nap der Luftpumpe 60 und/oder die Verminderung des Öffnungsgrads θbp des Gegendruckventils 64 um eine Stufe.
In Schritt S40 bestimmt die ECU 24, ob die Soll-Sauerstoffkonzentration Cotgt gleich oder kleiner als die Soll-Sauerstoffkonzentration der normalen I–V Charakteristik ist oder nicht (normale Sauerstoffkonzentration Conml). Wenn die Soll-Sauerstoffkonzentration Cotgt gleich oder kleiner als die normale Sauerstoffkonzentration Conml ist (S40: JA), kehrt der Prozess zu Schritt S38 zurück. Wenn die Soll-Sauerstoffkonzentration Cotgt größer als die normale Sauerstoffkonzentration Conml ist (S40: NEIN), stoppt die ECU 24 in Schritt S41 den Betrieb der FC Einheit 18. D. h., die ECU 24 stoppt die Zufuhr von Wasserstoff und Luft zu der FC 40, um hierdurch die Stromerzeugung der FC 40 zu stoppen. Dann schaltet die ECU 24 eine Alarmlampe (nicht gezeigt) an, um den Fahrer zu informieren, dass in der FC 40 ein Fehler vorliegt. Es sollte angemerkt werden, dass die ECU 24 elektrische Energie von der Batterie 20 dem Motor 14 zuführt, um seine Weiterfahrt des FC Fahrzeugs 10 zu erlauben.
Bei der oben beschriebenen Festspannung/stromvariablen Steuerung/Regelung kann in dem Fall, wo die Systemlast Psys niedrig ist oder während Regeneration, durch Einstellung der Sauerstoffkonzentration Co (kathodenseitiges stoichiometrisches Verhältnis), während die Zellenspannung Vcell auf konstantem Pegel gehalten wird, grundliegend die gesamte Systemlast Psys mit der elektrischen FC Leistung Pfc gedeckt werden.
[2-4. FC Stromerzeugungssteuerung]
Wie oben beschrieben, steuert/regelt die ECU 24, als FC Stromerzeugungssteuerung (S4 von 5), Peripherievorrichtungen des FC Stapels 40, d. h. die Luftpumpe 60, das Gegendruckventil 64, das Zirkulationsventil 66 und die Wasserpumpe 80. Insbesondere steuert/regelt die ECU 24 diese Vorrichtungen mittels Anweisungswerten (z. B. S34 in 14), die beim Energiemanagement (S3 von 5) berechnet werden.
[2-5. Drehmomentsteuerung des Motors 14]
20 ist ein Flussdiagramm der Drehmomentsteuerung/Regelung des Motors 14. In Schritt S51 liest die ECU 24 die Motordrehzahl Nm von dem Motordrehzahlsensor 152. In Schritt S52 liest die ECU 24 den Betätigungsgrad θp des Gaspedals 154 von dem ersten Betätigungsgradsensor 150.
In Schritt S53 berechnet die ECU 24 das vorläufige Solldrehmoment Ttgt_p [Nxm] des Motors 14 basierend auf der Motordrehzahl Nm und dem Betätigungsgrad θp. Insbesondere wird in einem Speichermittel (nicht gezeigt) ein Kennfeld von Daten gespeichert, welche die Zuordnung der Drehzahl Nm und des Betätigungsgrads θp zu dem vorläufigen Solldrehmoment Ttgt_p angeben, und das vorläufige Solldrehmoment Ttgt_p wird basierend auf dem Kennfeld, der Drehzahl Nm und dem Betätigungsgrad θp berechnet.
In Schritt S54 berechnet die ECU 24 eine Grenzausgangsleistung (Motorgrenzleistung Pm_lim) [W] des Motors 14, die gleich dem Grenzwert (elektrische Grenzzufuhrleistung Ps_lim) [W] des elektrischen Energie ist, die von dem FC System 12 dem Motor 14 zugeführt werden kann. Insbesondere können die elektrische Grenzzufuhrleistung Ps_lim und die Motorgrenzausgangsleistung Pm_lim berechnet werden durch Subtrahieren der elektrischen Leistung Pa, die von den Hilfsvorrichtungen verbraucht wird, von der Summe der elektrischen FC Leistung Pfc von dem FC Stapel 40 und dem Grenzwert (Grenzleistung (Pbat_lim) [W] der elektrischen Energie, die von der Batterie 20 zugeführt werden kann (Pm_lim = Ps_lim ← Pfc + Pbt_lim – Pa).
In Schritt S55 berechnet die ECU 24 den Drehmomentgrenzwert Tlim [Nm] des Motors 14. Insbesondere wird ein Wert, der durch Dividieren der Motorgrenzausgangsleistung Pm_lim durch die Fahrzeuggeschwindigkeit V berechnet wird, als Drehmomentgrenzwert Tlim verwendet (Tlim ← Pm_lim/V).
Wenn in Schritt S54 die ECU 24 bestimmt, dass der Motor 14 elektrische Energie regeneriert, berechnet die ECU 24 eine elektrische Grenzzufuhrregenerativleistung Ps_reglim. Die elektrische Grenzzufuhrregenerativleistung Ps_reglim wird berechnet durch Subtrahieren der elektrischen Leistung Pa, die von den Hilfsvorrichtungen verbraucht wird, von der Summe des Grenzwerts der elektrischen Leistung, mit der die Batterie 20 (elektrische Grenzladeleistung Pbat_chglim) geladen werden kann, und der elektrischen FC Leistung Pfc von dem FC Stapel 40 (Pm_reglim = Pbat_chglim + Pfc – Pa). Während der Regeneration der elektrischen Energie berechnet in Schritt S55 die ECU 24 den regenerativen Drehmomentgrenzwert Treglim [Nm] des Motors 14. Insbesondere wird als der Drehmomentgrenzwert Plim ein Wert definiert, der berechnet wird, indem die elektrische Grenzzufuhrregenerativleistung Ps_reglim durch die Fahrzeuggeschwindigkeit Vs dividiert wird (Tlim ← Ps_reglim/Vs).
In Schritt S56 berechnet die ECU 24 das Solldrehmoment Ttgt [Nm]. Insbesondere bestimmt die ECU 24 das Solldrehmoment Ttgt durch Addieren einer Begrenzung basierend auf dem Drehmomentgrenzwert Tlim zu dem vorläufigen Solldrehmoment Ttgt_p. Wenn z. B. das vorläufige Solldrehmoment Ttgt_p gleich oder kleiner als der Drehmomentgrenzwert Tlim ist (Ttgt_p ≤ Tlim), wird das vorläufige Solldrehmoment Ttgt_p direkt als das Solldrehmoment Ttgt verwendet (Ttgt ← Ttgt_p). Wenn das vorläufige Solldrehmoment Ttgt_p den Drehmomentgrenzwert Tlim überschreitet (Ttgt_p > Tlim), wird der Drehmomentgrenzwert Tlim als das Solldrehmoment Ttgt verwendet (Ttgt ← Tlim).
Dann wird der Motor 14 unter Verwendung des so berechneten Solldrehmoments Ttgt angesteuert.
3. Beispiele verschiedener Steuerungen/Regelungen
21 ist ein Beispiel eines Zeitdiagramms, das einen Fall der Verwendung von verschiedenen Steuerungen/Regelungen gemäß der Ausführung der vorliegenden Erfindung während normaler Regeneration zeigt. In 21 bedeutet „GRADIENT” das Gefälle einer Straße, auf der das Fahrzeug 10 fährt (in 22 hat „GRADIENT” die gleiche Bedeutung). Ferner ist die „ELEKTRISCHE MOTORLEISTUNG Pmot” die Summe der elektrischen Leistung des Motors 14, die während des Antriebs des Motors 14 verbraucht wird (während des Antriebsfahrzustands des Fahrzeugs 10) und der regenerativen elektrischen Leistung Preg des Motors 14 während Regeneration von elektrischer Energie durch den Motor 14 (während Regeneration des Fahrzeugs 10) (in 22 hat „ELEKTRISCHE MOTORLEISTUNG” die gleiche Bedeutung).
Das Fahrzeug 10 stoppt vor der Zeit t1. Daher ist die Fahrzeuggeschwindigkeit V Null, und die elektrische Motorleistung Pmot, der Batterie SOC, die FC Spannung Vfc und der FC Strom Ifc bleiben konstant. Die FC Spannung Vfc vor der Zeit t1 wird auf OCV gesetzt. Ferner befindet sich in 21 das Fahrzeug 10 jederzeit auf einer flachen Straße (Gefälle ist 0%).
Zur Zeit t1 fährt das Fahrzeug 10 los. Ab der Zeit t1 bis zu einem Punkt um die Zeit t2 herum, nehmen die Fahrzeuggeschwindigkeit V, die elektrische Motorleistung Pmot und der FC Strom Ifc graduell zu, und der Batterie-SOC nimmt graduell ab. Ferner wird, nachdem die FC Spannung Vfc von OCF auf 0,8 V × Zellenzahl abgenommen hat, die spannungsvariable/stromvariable Steuerung/Regelung implementiert (Es ist bevorzugt, die Ratenbegrenzungssteuerung zu implementieren, wie oben beschrieben).
Zu einem Punkt unmittelbar vor der Zeit t2 wird z. B. das Bremspedal 155 gedrückt, und das Fahrzeug 10 beginnt zu verzögern. Die elektrische Motorleistung Pmot schaltet von einem positiven Wert zu einem negativen Wert zu einem Punkt um die Zeit t2 herum, und der Motor 14 wird vom Antriebszustand zum Regenerativzustand umgeschaltet. Dementsprechend wird die FC Spannung Vfc auf das elektrische Potential 0,8 V × Zellenzahl fixiert (s. S28 in 11). Dann wird das Laden der Batterie 20 mit der elektrischen Regenerativenergie Preg von dem Motor 14 gestartet.
Von der Zeit t2 bis zur Zeit t3 befindet sich der Motor 14 im Regenerativzustand (normalen Regenerativzustand). Zur Zeit t3 hält das Fahrzeug 10 an, und die Fahrzeuggeschwindigkeit V und die elektrische Motorleistung Pmot werden zu Null.
22 ist ein Beispiel eines Zeitdiagramms im Falle der Verwendung von verschiedenen Steuerungen und Regelungen gemäß der Ausführung der vorliegenden Erfindung während Regeneration von elektrischer Energie, während das Fahrzeug 10 ein Gefälle hinunterfährt. Vor der Zeit t11 ist der Gradient größer als 0%, und das Fahrzeug 10 fährt eine Steigung hinauf. Dementsprechend nehmen die Batterie SOC und die FC Spannung Vfc ab, und der FC Strom Ifc nimmt zu.
Ab einem Punkt unmittelbar vor der Zeit t11 beginnt der Gradient allmählich abzunehmen. Zur Zeit t11 wird der Gradient Null, und danach hat der Gradient einen negativen Wert. Um die Zeit t11 herum wechselt die Straße, auf der das Fahrzeug 10 fährt, von Steigung zum Gefälle. Dementsprechend schaltet die elektrische Motorleistung Pmot auch von einem positiven Wert zu einem negativen Wert, und der Motor 14 schaltet vom Antriebszustand zum Regenerativzustand. Da ferner, in Folge der Regeneration von elektrischer Energie durch den Motor 14, die elektrische Regerenativleistung Preg der Batterie 20 zum Laden zugeführt wird, nimmt nach der Zeit t12 der SOC allmählich zu. Ferner nimmt aber der Zeit t11 die FC Spannung Vfc zu, und zur Zeit t12 wird die FC Spannung Vfc auf 0,8 V × Zellenzahl gesetzt (S28 in 11). Zusätzlich nimmt der FC Strom Ifc ab der Zeit t11 scharf ab.
Obwohl nicht gezeigt, ist von der Zeit t12 zur Zeit t13 die elektrische Soll-FC-Leistung Pfctgt größer als der Schwellenwert THP2 und gleich oder kleiner als der Schwellenwert THP1 (S26: JA → S27: NEIN), und die FC Spannung Vfc wird auf 0,8 V × Zellenzahl fixiert (S28).
Zur Zeit t13 wird die elektrische Soll-FC-Leistung Pfctgt zum Schwellenwert THP oder kleiner (S26: JA → S27: JA), und die FC Spannung Vfc wird auf 0,9 V × Zellenzahl fixiert (S29).
Der FC Strom Ifc, der ab der Zeit t11 abgenommen hat, wird zur Zeit t14 zu Null. Durch Abnahme des FC Stroms Ifc ist die Batterie 20 auf diese Weise in der Lage, die elektrische Regenerativleistung Preg des Motors 14 effizient zu sammeln und wird damit geladen).
Der Gradient der Straße nimmt von der Zeit t15 allmählich zu. Zur Zeit t16 wird der Gradient 0% (flache Straße). Ferner nehmen ab der Zeit t15 die Fahrzeuggeschwindigkeit V und die elektrische Motorleistung Pmot allmählich ab, und werden zur Zeit t16 zu Null.
Im Flussdiagramm von 11 und der Kennlinie von 12 wird während Regeneration von elektrischer Energie durch den Motor 14, wenn das Fahrzeug 10 ein Gefälle hinunterfährt, die elektrische Soll-FC-Leistung Pfctgt auf den Minimalwert Pfcmin gesetzt, und die Soll-FC-Spannung Vfctgt wird auf 0,9 V × Zellenzahl fixiert. Jedoch ist im Zeitdiagramm von 22 ab der Zeit t11 bis zur Zeit t13 während Regeneration von elektrischer Energie bei Bergabfahrt auf einem Gefälle (t11 bis t16) die FC Spannung Vfc nicht 0,9 V × Zellenzahl. Der Grund hierfür ist, dass die Ratengrenzsteuerung implementiert wird, um scharfe Änderungen in der FC Spannung Vfc zu vermeiden, wie oben beschrieben.
4. Vorteile der vorliegenden Ausführung
Wie oben beschrieben, wird es in der Ausführung der vorliegenden Erfindung möglich, die regenerative elektrische Leistung Preg effizient zu sammeln, während einer Verschlechterung der FC 40 unterdrückt wird.
D. h., in der vorliegenden Ausführung wird während der Regeneration die FC Spannung Vfc auf einen Spannungswert gesetzt (0,8 V × Zellenzahl oder 0,9 V × Zellenzahl), der außerhalb des Redoxbereichs R3 liegt. Somit wird es möglich, eine Verschlechterung der FC 40 zu unterdrücken.
Ferner wird in der vorliegenden Ausführung während der Regeneration die elktrische Soll-FC-Leistung Pfctgt basiesrend auf der Batterie SOC (12) gesetzt, und die Soll-Sauerstoffkonzentration Cotgt wird in Abhängigkeit von der elektrischen Soll-FC-Leistung Pfctgt (Soll-FC-Strom Ifctgt) geändert (S28 und S29 in 11). Ferner wird im Vergleich zu dem Fall, wo bestimmt wird, dass der Motor 14 im normalen Regenerationszustand ist (z. B. elektrische Energie regeneriert, wenn das Fahrzeug auf einer flachen Straße verzögert wird), in dem Fall, wo bestimmt wird, dass der Motor 14 elektrische Energie regeneriert, während das Fahrzeug 10 ein Gefälle hinunter fährt, durch Verringern der elektrischen Soll-FC-Leistung Pfctgt die Soll-Sauerstoffkonzentration Cotgt verringert. Selbst wenn daher der Batterie SOC der gleiche ist, ist die elektrische FC Leistung Pfc klein im Falle der Regeneration von elektrischer Energie beim Hinunterfahren eines Gefälles, im Vergleich zu dem Fall der normalen Regeneration.
Allgemein ist es hochwahrscheinlich, dass Regeneration von elektrischer Energie, während das Fahrzeug 10 ein Gefälle hinunterfährt, für eine längere Zeitdauer fortdauert als im Falle der Regeneration von elektrischer Energie, wenn das Fahrzeug 10 auf einer flachen Straße verzögert wird. Während das Fahrzeug 10 ein Gefälle hinunterfährt, wird ferner die potentielle Energie des Fahrzeugs 10 in regenerative elektrische Energie umgewandelt. Daher ist anzunehmen, dass die regenerative elektrische Leistung Preg tendenziell groß ist. Somit kann im Falle der Regeneration von elektrischer Energie, während das Fahrzeug 10 ein Gefälle hinunterfährt, eine relativ hohe elektrische Leistung der Batterie 20 zugeführt werden, um diese zu laden. Wenn die FC 40 Stromerzeugung separat von dem Motor 14 durchführt, kann in Folge dessen die Batterie 20 nicht leicht mit der regenerativen elektrischen Leistung Preg geladen werden, und die Effizienz des Sammelns der elektrischen Regenerativleistung Preg könnte unerwünscht absinken. In der vorliegenden Ausführung werden in dem Fall, wo der Motor elektrische Energie regeneriert, während das Fahrzeug ein Gefälle hinunterfährt, die elektrische Soll-FC-Leistung Pfctgt und die Soll-Sauerstoffkonzentration Cotgt verringern und wird die elektrische FC Leistung Pfc verringert. Daher kann, während das Fahrzeug 10 ein Gefälle hinunterfährt, die Batterie 20 mit höherer elektrischer Regenerativleistung Preg geladen werden.
Ferner wird in dem Fall, wo der Sollwert SOCtgt der Batterie SOC gesetzt wird, das Laden/Entladen der Batterie 20 derart geregelt, dass der SOC gleich dem Sollwert SOCtgt wird, wenn die Ausgangsleistung der FC 40 beibehalten wird, wobei z. B. die Batterie 20 mit elektrischer Regenerativenergie Preg überladen werden könnte, die regeneriert wird, während das Fahrzeug 10 ein Gefälle hinunterfährt. In diesem Fall wird die Frequenz des Ladens/Entladens der Batterie 20 erhöht, und es tritt ein elektrischer Leistungsverlust aufgrund dieses wiederholten Ladens/Entladens auf. Im Ergebnis nimmt die Regenerationseffizienz ab. In der vorliegenden Ausführung werden in dem Fall der Regeneration von elektrischer Energie, während das Fahrzeug 10 ein Gefälle hinunterfährt, die elektrkische Soll-FC-Leistung Pfctgt und die Soll-Sauerstoffkonzentration Cotgt verringert und wird die elektrische FC Leistung Pfc verringert. Da somit die elektrische Regenerativleistung Preg, mit der die Batterie 20 geladen wird, anstatt die elektrische FC Leistung Pfc, erhöht wird, kann der Batterie SOC auf leichte Weise dem Sollwert SOCtgt angenähert werden. Somit wird es möglich, die Regerationseffizienz zu verbessern.
In der vorliegenden Ausführung wird in dem Fall, wo bestimmt wird, dass der Motor 14 bei Abwärtsfahrt an einem Gefälle elektrische Energie regeneriert, die FC Spannung Vfc auf einen Spannungswert (0,9 V × Zellenzahl) oberhalb des Redox Bereichs R3 gesetzt, und in dem Fall, wo bestimmt wird, dass der Motor 14 elektrische Energie normal regeneriert, wird in Abhängigkeit vom Batterie SOC die FC Spannung Vfc auf einen Wert (0,8 V × Zellenzahl) unterhalb des Redoxbereichs R3 oder einen Wert (0,9 V × Zellenzahl) oberhalb des Redoxbereichs R3 gesetzt, (s. S28 und S29 in 11 und 12.
Allgemein wird in dem Fall, wo das Reaktionsgas FC 40 mit stoichiometrischen Verhältnis für normale Stromerzeugung zugeführt wird, die Ausgangsleistung der FC 40 hoch, wenn die FC Spannung Vfc abnimmt. Ferner wird es, wie oben beschrieben, in dem Fall der Regeneration von elektrischer Energie, wenn das Fahrzeug 10 ein Gefälle hinunterfährt, durch Unterdrücken der Ausgangsleistung der FC 40 möglich, die elektrische Regenerativleistung Preg noch effizienter zu nutzen. Ferner wird in der vorliegenden Ausführung in dem Fall der Regeneration von elektrischer Energie, wenn das Fahrzeug ein Gefälle hinunterfährt, die Ausgangsleistung der FC 40 relativ niedrig, indem eine höhere FC Spannung Vfc gesetzt wird, und im Falle der normalen Regeneration von elektrischer Energie wird die Ausgangsleistung der FC 40 relativ hoch, indem die FC Spannung Vfc niedriger eingestellt wird. Somit wird während Regeneration von elektrischer Energie, während das Fahrzeug ein Gefälle hinunterfährt, die Soll-Sauerstoffkonzentration Cotgt verringert, und es kann eine geeignete Stromerzeugung basierend auf der Soll-Sauerstoffkonzentration Cotgt durchgeführt werden. Im Ergebnis wird es möglich, die Stromerzeugungseffizienz des Brennstoffzellensystems 12 zu verbessern.
5. Modifizierte Ausführung
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungen beschränkt. Die vorliegende Erfindung kann basierend auf dieser Beschreibung verschiedene Strukturen anwenden. Z. B. kann die folgende Struktur verwendet werden.
[5-1. Anwendung des FC Systems]
Obwohl in der oben beschriebenen Ausführung das FC System 12 in einem FC Fahrzeug 10 angebracht ist, ist die vorliegende Erfindung in dieser Hinsicht nicht beschränkt. Das FC System 12 kann auch in anderen Objekten angebracht werden, die in der Lage sind, bei der Abwärtsbewegung in einem Gefälle elektrische Energie zu regenerieren. Z. B. kann das FC System 12 in beweglichen Objekten wie etwa einer elektrischen Eisenbahn oder einem elektrischen Fahrrad angewendet werden. Ferner wird der Fall, wo die elektrische Regenerativleistung Preg erhalten werden kann, in eine Mehrzahl von unterschiedlichen Fällen klassifiziert, wie etwa Fälle, wo man eine größere elektrische regenerative Leistung Preg erhalten kann, und andere Fälle, und die Prozesse wie etwa die Schritte S28 und S29 in 29 können an den jeweiligen Fällen ausgeführt werden. Z. B. können diese Fälle einen Fall enthalten, wo durch ein Aufzug abwärts bewegt, und Fälle, wo andere Bremskräfte ausgeübt werden, oder einen Fall, wo sich ein Kran abwärts bewegt, und Fälle, wo andere Bremskräfte angewendet werden.
[5-2. Struktur des FC Systems 12]
In der obigen Ausführung sind die FC 40 und die Hochspannungsbatterie 20 parallel angeordnet, und der DC/DC-Wandler 20 ist nahe der Batterie 20 vorgesehen. Jedoch ist die vorliegende Erfindung in dieser Hinsicht nicht eingeschränkt. Z. B. können, wie in 23 gezeigt, die FC 40 und die Batterie 20 parallel vorgesehen werden, und ein Hochstuf-, Abstuf- oder Hochstuf/Abstuf-DC/DC-Wandler 22 kann in der Nähe der FC 40 vorgesehen sein. Alternativ können, wie in 24 gezeigt, die FC 40 und die Batterie 20 parallel vorgesehen sein, und es kann ein Hochstuf-, Abstuf- oder Hochstuf/Abstuf-DC/DC-Wandler 22 nahe der FC 40 vorgesehen sein und es kann der DC/DC-Wandler 22 nahe der Batterie 20 vorgesehen sein. Alternativ können, wie in 25 gezeigt, die FC 40 und die Batterie 20 in Serie vorgesehen sein, und der DC/DC-Wandler 22 kann zwischen der Batterie 20 und dem Motor 14 vorgesehen sein.
In der obigen Ausführung wird die elektrische Regenerativleistung Preg von dem Traktionsmotor 14 der Batterie 20 zugeführt, um diese zu Laden. Solange jedoch eine elektrische Speichervorrichtung mit elektrischer Regenerativleistung von einer elektrischen Regenerativstromquelle geladen wird, ist die vorliegende Erfindung in dieser Hinsicht nicht eingeschränkt. Z. B. kann anstelle des Traktionsmotors 14 ein gesonderter Motor zur Regeneration verwendet werden.
[5-3. Stoichiometrisches Verhältnis]
In der oben beschriebenen Ausführung wird ein Mittel oder ein Verfahren zum Einstellen des stoichiometrischen Verhältnisses durch Einstellen der Soll-Sauerstoffkonzentration Cotgt durchgeführt. Jedoch ist die vorliegende Erfindung in dieser Hinsicht nicht eingeschränkt. Alternativ kann auch die Soll-Sauerstoffkonzentration eingestellt werden. Ferner kann anstelle der Sollkonzentration die Sollströmungsrate oder sowohl die Sollkonzentration als auch die Sollströmungsrate eingestellt werden.
In der oben beschriebenen Ausführung ist eine Struktur zum Zuführen von sauerstoffhaltiger Luft dargestellt, welche die Luftpumpe 60 enthält. Alternativ oder zusätzlich kann eine Struktur verwendet werden, die eine Wasserstoffpumpe zum Zuführen von Wasserstoff enthält.
[5-4. Stromerzeugungssteuerung der FC 40]
In der obigen Ausführung werden als Stromerzeugungssteuerung der FC 40 die spannungsvariable/stromvariable Steuerung/Regelung und die Festspannung/stromvariable Steuerung/Regelung verwendet. Jedoch ist die vorliegende Erfindung in dieser Hinsicht nicht eingeschränkt. Die vorliegende Erfindung ist anwendbar, solange zumindest eine Festspannung/stromvariable Steuerung/Regelung verwendet wird.
In der obigen Ausführung wird die Soll-FC-Spannung Vfctgt bei der Festspannung/stromvariablen Steuerung/Regelung auf das elektrische Potential v2 (= 0,8 V) × Zellenzahl oder das elektrische Potential v3 (= 0,9 V) × Zellenzahl gesetzt. Jedoch ist die vorliegende Erfindung in dieser Hinsicht nicht eingeschränkt. Die Soll-FC-Spannung Vfctgt innerhalb der Festspannungf/stromvariablen Steuerung/Regelung kann z. B. auf ein anderes elektrisches Potential im Reduktionsbereich R2 oder Oxidationsbereich R4 gesetzt werden. Insbesondere wenn bei den Charakteristiken des Motors 14 beliebige Spannungen vorhanden sind, wo die Batterie 20 mit elektrischer Regenerativleistung Preg leicht geladen werden kann (Spannung mit hoher Regenerationseffizienz), kann die Soll-FC-Spannung Vfctgt in der Festspannung/stromvariablen Steuerung/Regelung auf diese Spannung gesetzt werden, oder angenähert auf diese Spannung gesetzt werden. Ferner braucht die Soll-FC-Spannung Vfctgt nicht notwendigerweise einen Festwert haben. Die Soll-FC-Spannung Vfctgt kann gemäß einem vorbestimmten Muster oder auch zufällig verändert werden.
In der obigen Ausführung sind der Zirkulationsventilöffnungsgrad θc, die Luftpumpendrehzahl Nap und der Gegendruckventilöffnungsgrad θbp variabel, um die Sauerstoffkonzentration Co mit der Festspannung/stromvariablen Steuerung/Regelung zu steuern/zu regeln. Jedoch ist die vorliegende Erfindung darauf nicht beschränkt, solange die Sauerstoffkonzentration Co gesteuert/geregelt werden kann. Z. B. könnte die Luftpumpendrehzahl Nap fest sein, während der Zirkulationsventilöffnungswinkel θc verändert werden kann. Da somit das Geräusch der Luftpumpe 60 mit festem Pegel ausgegeben wird, wird es möglich, unangenehmes Gefühl der Fahrzeuginsassen zu vermeiden, das entstehen könnte, wenn sich Geräuschabgabe verändert.
In der obigen Ausführung (S21 in 11) wird bestimmt, ob der Motor 14 (oder das Fahrzeug 10) in der Mitte der elektrischen Regenerationsleistung ist oder nicht. Jedoch ist es nicht notwendigerweise erforderlich, zu bestimmen, ob der Motor 14 elektrische Energie regeneriert oder nicht. Alternativ könnte vorhergesagt werden, ob der Motor 14 in kurzer Zeit die Regeneration von elektrischer Energie starten wird oder nicht. Für diese Regenerationsvorhersage könnten z. B. Karteninformation einer Navigationsvorrichtung, Information von der Außenseite (z. B. Information von optischen Baken an der Straßenseite, oder Information von Basisstationen oder Servern, die zu drahtloser Kommunikationsinformation in der Lage sind), verwendet werden.
In einem Brennstoffzellensystem wird eine Regenerationszeit-Festspannungs-Steuerung/Regelung implementiert, wo während Regeneration oder wenn das Auftreten von Regeneration zu erwarten ist, die Ausgangsspannung einer Brennstoffzelle auf einen Spannungswert außerhalb eines Oxidations-Reduktions-Ablauf-Spannungsbereichs fixiert ist, wo Oxidation-Reduktion stattfindet, und die Menge von der Brennstoffzelle zugeführtem Reaktionsgas basierend auf der elektrischen Energiemenge, die in einer Energiespeichervorrichtung verbleibt, verändert wird. Bei der Regenerationszeit-Festspannungs-Steuerung/Regelung wird bestimmt, ob Regeneration stattfindet oder nicht, während sich ein mit dem Brennstoffzellensystem ausgestatteter beweglicher Körper ein Gefälle hinunter bewegt, und in dem Fall, wo bestimmt wird, dass Regeneration stattfindet, während sich der bewegliche Körper ein Gefälle hinunter bewegt, wird die Menge des der Brennstoffzelle zugeführten Reaktionsgases verringert im Vergleich zu dem Fall, wo bestimmt wird, dass Regeneration stattfindet, während sich der bewegliche Körper nicht ein Gefälle hinunter bewegt.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (12), worin eine Regenerationszeit-Festspannungs-Steuerung/Regelung implementiert wird, wo während Regeneration oder wenn das Auftreten von Regeneration zu erwarten ist, die Ausgangsspannung einer Brennstoffzelle (40) auf einen Spannungswert außerhalb eines Oxidations-Reduktions-Ablauf-Spannungsbereichs (R3) fixiert ist, wo Oxidation-Reduktion stattfindet, und die Menge von der Brennstoffzelle (40) zugeführtem sauerstoffhaltigem Gas und/oder Brenngas, als Reaktionsgas, basierend auf der elektrischen Energiemenge, die in einer Energiespeichervorrichtung (20) verbleibt, verändert wird; und bei der Regenerationszeit-Festspannungs-Steuerung/Regelung bestimmt wird, ob Regeneration stattfindet oder nicht, während sich ein mit dem Brennstoffzellensystem (12) ausgestatteter beweglicher Körper ein Gefälle hinunter bewegt, und in dem Fall, wo bestimmt wird, dass Regeneration stattfindet, während sich der bewegliche Körper (10) ein Gefälle hinunter bewegt, die Menge des der Brennstoffzelle (40) zugeführten Reaktionsgases verringert wird im Vergleich zu dem Fall, wo bestimmt wird, dass Regeneration stattfindet, während sich der bewegliche Körper (10) nicht ein Gefälle hinunter bewegt.
Das Verfahren nach Anspruch 1, worin in dem Fall, wo bestimmt wird, dass Regeneration stattfindet, während sich der bewegliche Körper (10) ein Gefälle hinunter bewegt, die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (40) auf einen Spannungswert gesetzt wird, der höher ist als der Oxidations-Reduktions-Ablauf-Spannungsbereich (R3), und in dem Fall, wo bestimmt wird, dass Regeneration stattfindet, während sich der bewegliche Körper (10) nicht ein Gefälle hinunter bewegt, in Abhängigkeit von der elektrischen Energiemenge, die in der Energiespeichervorrichtung (20) verbleibt, die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (40) auf einen Wert gesetzt wird, der niedriger oder höher als der Oxidation-Reduktions-Ablauf-Spannungsbereich ist.