DE102012215944B4

DE102012215944B4 - Brennstoffzellenfahrzeug

Info

Publication number: DE102012215944B4
Application number: DE102012215944.4A
Authority: DE
Inventors: Shuichi Kazuno; Kazunori Watanabe; Hibiki Saeki; Takuya Shirasaka; Daishi Igarashi
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2011-09-09
Filing date: 2012-09-07
Publication date: 2021-12-30
Anticipated expiration: 2032-09-08
Also published as: CN102991368B; CN102991368A; DE102012215944A1

Abstract

Brennstoffzellenfahrzeug (10) umfassend:eine Brennstoffzelle (40) zum Durchführen von Stromerzeugung durch katalytisches Induzieren einer Reaktion eines ersten sauerstoffhaltigen Gases und eines zweiten wasserstoffhaltigen Gases, die der Brennstoffzelle (40) zugeführt werden;Gasversorgungseinheiten (44, 60) zum Zuführen des ersten Gases und des zweiten Gases zu der Brennstoffzelle (40);einen Spannungsregler (22) zum Regulieren der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (40);einen Antriebsmotor (14) als Last, die durch von der Brennstoffzelle (40) ausgegebene elektrische Energie angetrieben wird;eine Energiespeichervorrichtung (20) zum Speichern von durch den Antriebsmotor (14) regenerierter elektrischer Energie; undeine Steuereinheit (24) zum Steuern/Regeln der Brennstoffzelle (40), der Gasversorgungseinheiten (44, 60), des Spannungsreglers (22), des Antriebsmotors (14) und der Energiespeichervorrichtung (20),worin während der Regeneration von elektrischer Energie durch den Antriebsmotor (14) die Steuereinheit (24) den Spannungsregler (22) steuert/regelt, um die Spannung der Brennstoffzelle (40) auf einer vorbestimmten Spannung außerhalb eines Oxidation-Reduktion-Ablaufspannungsbereichs der Brennstoffzelle (40) festzulegen, wo Oxidation-Reduktion stattfindet,während die Gasversorgungseinheiten (44, 60) gesteuert/geregelt werden, um die Sauerstoffkonzentration oder Wasserstoffkonzentration zu verringern, um hierdurch die von der Brennstoffzelle (40) ausgegebene elektrische Leistung zu verringern.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellenfahrzeug, das es möglich macht, eine Verschlechterung einer Brennstoffzelle zur Stromerzeugung durch elektrochemische Reaktionen von Reaktionsgasen (sauerstoffhaltiges Gas und Brenngas) zu verhindern, und die Stromerzeugungseffizienz der Brennstoffzelle zu verbessern.
Eine Brennstoffzelle verwendet eine Membranenelektrodenanordnung (MEA), welche eine Anode, eine Kathode und eine zwischen die Anode und die Kathode eingefügte Festpolymerelektrolytmembran enthält. Die Festpolymerelektrolytmembran wird gebildet, indem z.B. eine dünne Perfluorsulfonsäuremembran mit Wasser imprägniert wird. Die Kathode und die Anode haben jeweils eine Gasdiffusionsschicht, wie etwa Kohlepapier, und eine Elektrodenkatalysatorschicht mit Katalysatorpartikeln aus Platinlegierung oder dergleichen (nachfolgend als Pt-Katalysator bezeichnet), die auf porösen Kohlenstoffpartikeln gelagert sind. Die Kohlenstoffpartikel werden auf der Oberfläche der Gasdiffusionsschicht gleichmäßig abgeschieden. Die Elektrodenkatalysatorschicht der Anode und die Elektrodenkatalysatorschicht der Kathode sind an Oberflächen der Festpolymerelektrolymembran befestigt.
Eine Technik, um eine Verschlechterung der Brennstoffzelle zu unterdrücken, ist in der JP 2007-005038 A beschrieben. Dort erfolgt die Stromerzeugung der Brennstoffzelle derart, dass ein elektrisches Redoxpotential dort vermieden wird, wo ein Sinterphänomen des Pt-Katalysators (Aggregation des Pt-Katalysators) auftritt.
In einem Brennstoffzellenfahrzeug wird während Verzögerung oder dergleichen des Fahrzeugs regenerative elektrische Energie erzeugt. Bevorzugt sollte die regenerative elektrische Energie einer Batterie zum Laden zugeführt werden, um die Systemeffizienz zu verbessern.
Selbst wenn gemäß der JP 2007-005038 A der Betätigungsgrad eines Gaspedals vergrößert wird, wird elektrische Energie von der Batterie zugeführt, wobei die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle auf etwa 0,7 V beschränkt ist, bis der SOC-Wert (Ladezustand) der Batterie kleiner als ein erster Ladeschwellenwert (Untergrenzsollwert des SOC-Werts) wird. Wenn festgestellt wird, dass der SOC-Wert niedriger als der erste Ladeschwellenwert wird, wird, durch Zunahme der durch Stromerzeugung der Brennstoffzelle erzeugten elektrischen Energie, die Ausgangsspannung von etwa 0,7 V gesenkt, um die Batterie zu laden. Selbst wenn danach der Betätigungswinkel des Gaspedals verringert wird, wird die Batterie geladen, während der Zustand erhalten bleibt, wo die bei der Stromerzeugung der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie erhöht wird, bis der SOC-Wert einen zweiten Ladeschwellenwert (Obergrenzsollwert des SOC-Werts) überschreitet.
Auf diese Weise ist es durch Begrenzung der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle auf ein elektrisches Potential gleich oder kleiner als das Redoxpotential möglich, eine Verschlechterung der Brennstoffzelle zu unterdrücken. Selbst wenn jedoch der Gasbetätigungsgrad verringert wird, d.h. während dem Zustand, wo regenerative Energie gesammelt werden kann, wird der Zustand fortgesetzt, wo von der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie zunimmt, und im Ergebnis wird die Systemeffizienz schlecht.
Die DE 11 2006 001 469 T5 zeigt ein Brennstoffzellenfahrzeug umfassend: eine Brennstoffzelle zum Durchführen von Stromerzeugung durch katalytisches Induzieren einer Reaktion eines ersten sauerstoffhaltigen Gases und eines zweiten wasserstoffhaltigen Gases, die der Brennstoffzelle zugeführt werden; Gasversorgungseinheiten zum Zuführen des ersten Gases und des zweiten Gases zu der Brennstoffzelle; einen Spannungsregler zum Regulieren der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle; einen Antriebsmotor als Last, die durch von der Brennstoffzelle ausgegebene elektrische Energie angetrieben wird; eine Energiespeichervorrichtung zum Speichern von durch den Antriebsmotor regenerierter elektrischer Energie; und eine Steuereinheit zum Steuern/Regeln der Brennstoffzelle, der Gasversorgungseinheiten, des Spannungsreglers, des Antriebsmotors und der Energiespeichervorrichtung. Dort wird zur Korrektur bestimmt, ob die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle dem Oxidations-/Reduktionspotential eines Katalysators der Brennstoffzelle nahe kommt, und wird die von der Brennstoffzelle erzeugte Leistung korrigiert, wenn die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle nahe dem Oxidations-/Reduktionspotential ist.
Die vorliegende Erfindung ist im Hinblick auf diese Probleme gemacht worden, und Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Brennstoffzellenfahrzeug anzugeben, das es möglich macht, den Wirkungsgrad beim Sammeln von regenerativer elektrischer Energie zu verbessern, während eine Verschlechterung einer Brennstoffzelle unterdrückt wird, und demzufolge den Systemwirkungsgrad zu verbessern.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß Anspruch 1 angegeben.
Indem in der vorliegenden Erfindung der Zustand beibehalten wird, wo die Spannung der Brennstoffzelle auf eine vorbestimmte Spannung außerhalb des Redox-Ablaufspannungsbereichs, wo Oxidation-Reduktion in der Brennstoffzelle stattfindet, fixiert wird, wird regenerative elektrische Energie gesammelt, während eine Verschlechterung der Brennstoffzelle unterdrückt wird. Indem in diesem Zustand die Sauerstoffkonzentration oder Wasserstoffkonzentration durch die Gasversorgungseinheit verringert wird, um hierdurch die von der Brennstoffzelle ausgegebene elektrische Leistung zu senken, wird die elektrische Stromerzeugungsleistung (momentane elektrische Stromerzeugungsleistung), die von der Brennstoffzelle zum Laden der Energiespeichervorrichtung geliefert wird, verringert. Somit kann die regenerative elektrische Energie geeignet gesammelt werden. Auf diese
Weise wird die Effizienz beim Sammeln von regenerativer elektrischer Energie erhöht, während eine Verschlechterung der Brennstoffzelle unterdrückt wird. Demzufolge lässt sich der Systemwirkungsgrad verbessern.
In diesem Fall kann die vorbestimmte Spannung außerhalb des Oxidation-Reduktions-Ablaufspannungsbereichs der Brennstoffzelle auf eine Spannung gesetzt werden, die eine obere Grenzspannung des Oxidation-Reduktion-Ablaufspannungsbereichs überschreitet. In diesem Fall wird die Ausgangsspannung des Antriebsmotors während Regeneration hoch. Auf diese Weise wird eine weitere Verbesserung des Regenerationswirkungsgrads erreicht, während eine Verschlechterung unterdrückt wird.
Die vorbestimmte Spannung außerhalb des Oxidation-Reduktions-Ablaufspannungsbereichs der Brennstoffzelle kann auf eine Spannung gesetzt werden, wo eine Verschlechterung der Brennstoffzelle gering ist, innerhalb eines Bereichs der Spannung, die die obere Grenzspannung des Oxidation-Reduktion-Ablauf-Spannungsbereichs überschreitet. In diesem Fall kann die Unterdrückung der Verschlechterung maximiert werden (das Fortschreiten der Verschlechterung kann minimiert werden).
Wenn ferner die Steuereinheit bestimmt, dass die vom Temperatursensor erfasste Temperatur der Brennstoffzelle eine Schwellenwerttemperatur oder niedriger ist, kann die Steuereinheit die vorbestimmte Spannung außerhalb des Oxidation-Reduktions-Ablaufspannungsbereichs der Brennstoffzelle auf eine Spannung setzen, die niedriger ist als eine untere Grenzspannung des Oxidation-Reduktion-Ablauf-Spannungsbereichs. Auf diese Weise wird der Wärmeverlust der Brennstoffzelle erhöht, und die Brennstoffzelle kann dementsprechend aufgewärmt werden.
Um diese Brennstoffzelle noch effizienter aufzuwärmen, steuert bevorzugt die Steuereinheit eine Kühleinheit derart an, dass die Strömungsrate eines Kühlmittels verringert wird, wenn die Steuereinheit bestimmt, dass die Temperatur der Brennstoffzelle auf der vorbestimmten Schwellenwerttemperatur oder darunter liegt.
In der vorliegenden Erfindung wird während Regeneration von elektrischer Energie durch den Antriebsmotor in dem Zustand, wo die Spannung der Brennstoffzelle auf eine vorbestimmte Spannung außerhalb des Redox-Ablaufspannungsbereichs, wo die Oxidation-Reduktion stattfindet, fixiert ist, die Sauerstoffkonzentration oder Wasserstoffkonzentration verringert, um hierdurch die von der Brennstoffzelle ausgegebene elektrische Energie zu verringern. Auf diese Weise wird der Wirkungsgrad beim Sammeln der regenerativen elektrischen Energie verbessert, während eine Verschlechterung der Brennstoffzelle unterdrückt wird. Demzufolge wird es möglich, den Systemwirkungsgrad zu verbessern (z.B. den Brennstoffverbrauch des Brennstoffzellenfahrzeugs zu verringern).
Die obigen und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher ersichtlich, worin bevorzugte Ausführungen der vorliegenden Erfindung als illustrative Beispiele gezeigt 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 in einem Schaltplan Details eines DC/DC-Wandlers gemäß der Ausführung;
5 zeigt in einem Flussdiagramm die Basissteuerung (Hauptroutine) 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 der Spannung 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 in der Spannung der Brennstoffzelle zeigt;
10 zeigt in einem Graph eine normale Strom-Spannungscharakteris tik einer Brennstoffzelle;
11 zeigt ein einem Graph die Beziehung zwischen dem kathodenseitigen stöchiometrischen Verhältnis und dem Zellenstrom;
12 zeigt ein Flussdiagramm eines Basissteuerungsmodus gemäß dem Energiemanagement und Stromerzeugungssteuerung einer Brennstoffzelle;
13 zeigt in einem Graph eine Mehrzahl von Stromversorgungsmodi (z.B. den Basissteuerungsmodus) in der Brennstoffzelle;
14 zeigt in einem Graph die Beziehung zwischen dem SOC-Wert einer Batterie und dem Lade/Entladekoeffizienten;
15 zeigt in einem Graph die Beziehung zwischen einem Soll-FC-Strom und der Sollsauerstoffkonzentration;
16 zeigt in einem Graph die Beziehung zwischen dem Soll-FC-Strom, und der Sollluftpumpendrehzahl und der Sollwasserpumpendrehzahl;
17 zeigt in einem Graph die Beziehung zwischen dem Soll-FC-Strom und dem Sollöffnungsgrad eines Gegendruckventils;
18 zeigt in einem Flussdiagramm die Drehmomentsteuerung eines Motors;
19 zeigt in einem Graph die Beziehung zwischen der elektrischen Stromerzeugungsleistung und dem Stromerzeugungswirkungsgrad der Brennstoffzelle;
20 zeigt in einem Flussdiagramm (1) das Energiemanagement und die Stromerzeugungssteuerung basierend auf der Voraussetzung der Basissteuermodi von 12;
21 zeigt in einem Flussdiagramm (2) das Energiemanagement und die Stromerzeugungssteuerung basierend auf der Voraussetzung der Basissteuermodi in 12;
22 zeigt in einem Graph die Beziehung zwischen der Motorspannung und dem Motorwirkungsgrad;
23 zeigt in einem Graph die Beziehung zwischen dem Ladestrom und dem Ladewirkungsgrad;
24 zeigt in einem Flussdiagramm eine Technik einer ersten Ausführung im Vergleich zur Basissteuerung;
25 zeigt in einem Graph die Beziehung zwischen der Batterietemperatur und der in die Batterie ladbaren elektrischen Energie;
26 zeigt in einem Graph eine Mehrzahl von Stromerzeugungsmodi während Regeneration bei niedrigerer Temperatur etc.;
27 zeigt in einem Graph die Beziehung zwischen der Temperatur des Brennstoffzellenstapels und der Kühlmittel- und Strömungsrate;
28 zeigt in einem Zeitdiagramm eine Technik einer zweiten Ausführung im Vergleich zum Vergleichsbeispiel;
29 zeigt ein schematisches Diagramm einer Brennstoffzelleneinheit gemäß einer dritten Ausführung;
30 zeigt in einem Graph die Beziehung zwischen dem Ventilöffnungsgrad eines Zirkulationsventils und der Sauerstoffkonzentration in einem Kathodenkanal;
31 zeigt in einem Blockdiagramm schematisch eine Struktur eines ersten modifizierten Beispiels des Brennstoffzellensystems;
32 zeigt in einem Blockdiagramm schematisch eine Struktur eines zweiten modifizierten Beispiels des Brennstoffzellensystems; und
33 zeigt in einem Blockdiagramm schematisch die Struktur einen dritten modifizierten Beispiels des Brennstoffzellensystems.

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 (Antriebsmotor) 14 und einen Inverter (bidirektionalen DC-AC-Wandler) 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 (Spannungsregler) sowie eine elektronische Steuerungseinheit 24 (nachfolgend als „ECU 24“ bezeichnet) (Steuerungseinheit).
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 (nachfolgend als PDU (Leistungstreibereinheit) bezeichnet) hat eine Drei-Phasen-Voll-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 (auch als Hauptlast 30 in einem Fall, wo zwischen den Lasten 30 und den Lasten von Hilfsvorrichtungen (Hilfsvorrichtungslasten) 31 zu unterscheiden ist, wie später beschrieben wird). Die Hauptlast 30 und die Hilfsvorrichtungslasten 31 werden gemeinsam als Last 33 bezeichnet (auch als Gesamtlast 33 bezeichnet).
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 54 zum Zuführen von Wasserstoff (Brenngas) zu Anoden des FC Stapels 40 und Abführen des Wasserstoffs (Brenngases) von diesen, ein Kathodensystem 56 zum Zuführen der Luft (sauerstoffhaltiges Gas) zu Kathoden des Brennstoffzellenstapels 40 und Abführen der Luft (sauerstoffhaltiges Gas) von diesen, ein Kühlsystem (Kühleinheit) 58 zum Umwälzen von Kühlwasser (Kühlmittel) zum Kühlen des FC Stapels 40 sowie einen Zellenspannungsmonitor 42.
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.
Das Anodensystem 54 enthält einen Wasserstofftank 44, 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 einer Verdünnungsvorrichtung (nicht gezeigt) verbunden, die in einem Rohr 64c 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 der Verdünnungsvorrichtung wird der Wasserstoff in dem Anodenabgas von dem Spülventil 50 durch das Kathodenabgas verdünnt und zur Atmosphäre abgegeben.
Das Kathodensystem 50 enthält die Luftpumpe 60 (Gasversorgungseinheit), einen Befeuchter 62 und ein Gegendruckventil 64.
Die Luftpumpe 60 verdichtet die Außenluft (Luft) und führt die verdichtete Luft der Kathode zu. Eine Saugöffnung der Luftpumpe 60 ist mit der Außenseite (Außenluft 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, das Rohr 64b und das Rohr 64c 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 (Atmosphäre) 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.
Ein Temperatursensor 72 ist an dem Rohr 64a angebracht. Der Temperatursensor 72 erfasst die Temperatur des Kathodenabgases, und der Temperatursensor 72 gibt die erfasste Temperatur an die ECU 24 aus.
Das Kühlsystem 58 enthält eine Wasserpumpe 80 und einen Kühler (Wärmeradiator) 82. Die Wasserpumpe 80 wälzt das Kühlwasser (Kühlmittel) um, und eine Auswurföffnung der Wasserpumpe 80 ist mit einer Ansaugöffnung der Wasserpumpe 80 durch ein Rohr 80a, ein Kühlmittelkanal 84 des FC-Stapels 40, ein Rohr 82a, den Kühler 82 und ein Rohr 82b in der genannten Reihenfolge verbunden. Wenn die Wasserpumpe 80 gemäß einer Anweisung von der ECU 24 arbeitet, wird das Kühlwasser zwischen dem Kühlmittelkanal 84 und dem Kühler 82 umgewälzt, um den FC-Stapel 40 zu kühlen.
Der Zellenspannungsmonitor 42 ist ein Messinstrument 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.
Wie in 2 gezeigt, wird elektrische Energie von dem FC-Stapel 40 (nachfolgend als die „elektrische FC-Leistung Pfc“) dem Inverter 16 und dem Motor 14 (während Antriebsfahrt), der Hochspannungsbatterie 20 durch den DC/DC-Wandler 22 (während des Ladens) zugeführt. Ferner wird die elektrische FC-Energie 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. Eine Rückflussverhinderungsdiode 98 ist zwischen dem FC-Stapel 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.
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 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 oder Primärstrom /1 bezeichnet), wird von dem Stromsensor 124 erfasst. Die Batteriespannung Vbat und der Batteriestrom Ibat werden an die ECU 24 ausgegeben. Der Restladungspegel der Batterie (Ladungszustand) (nachfolgend als „SOC“ bezeichnet) [%] der Batterie 20 wird von einem SOC-Sensor 104 (2) erfasst und an die ECU 24 ausgegeben.
Unter der Steuerung durch die ECU 24 regelt der DC/DC-Wandler 22 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 dem FC-Stapel 40.
Der DC/DC-Wandler 22 ist grundliegend ein Auf/Ab-Spannungswandler in Zerhackerbauart zum Erhöhen der Spannung an der Primärseite 1S (Primärspannung V1 = Vbat) [V] auf die Spannung an der Sekundärseite 2S (Sekundärspannung V2) [V] (V1 ≤ V2), und zum Vermindern der Sekundärspannung V2 auf die Primärspannung V1 (V1 = Vbat).
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 Diode 114) als oberen Ast und ein unteres Astelement (Unterast-Schaltelement 116 und eine Diode 118) als unteren Ast. 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 [V] durch einen Spannungssensor 120, der parallel zu einem Glättungskondensator 122 an der Primärseite 15 vorgesehen ist, und erfasst den elektrischen Strom an der Primärseite 15 (Primärstrom I1) [A] mit einem Stromsensor 124. Ferner erfasst die ECU 24 die Sekundärspannung V2 [V] 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.
Während des Hochsetzens der Spannung vom DC/DC-Wandler wird zum ersten Zeitpunkt das Gatetreibersignal UL hohen Pegel geschaltet und das Gatetreibersignal UH wird auf niedrigen Pegel geschaltet. Elektrizität von der Batterie 20 wird in dem Reaktor 110 gespeichert (durch einen Stromweg, der von der positiven Seite der Batterie 20 durch den Reaktor 110 und das Unterast-Schaltelement 116 zur negativen Seite der Batterie 20 erstreckt). Zum zweiten Zeitpunkt wird das Gatetreibersignal UL auf niedrigen Pegel geschaltet, und das Gatetreibersignal UH wird auf niedrigen Pegel geschaltet. In dem Reaktor 110 gespeicherte Elektrizität wird der Sekundärseite 2S durch die Diode 114 zugeführt (durch einen Stromweg, der sich von der positiven Seite der Batterie 20 durch den Reaktor 110, die Diode 114, die positive Seite der Sekundärseite 2S, die Last 33 oder dergleichen und die negative Seite der Sekundärseite zur ersten negativen Seite der Batterie 20 erstreckt). Danach werden der erste Zeitpunkt und der zweite Zeitpunkt während der Periode wiederholt, in der die Spannung hochgesetzt wird.
Beim Herabsetzen der Spannung des DC/DC-Wandlers 22 wird zum ersten Zeitpunkt das Gatetreibersignal UH auf hohen Pegel geschaltet und wird das Gatetreibersignal UL auf niedrigen Pegel geschaltet. Elektrizität von der Sekundärseite 2S (FC-Stapel 40 und/oder der Last 33 während elektrischer Stromregeneration durch den Motor 14) wird in dem Reaktor 110 gespeichert, und mit der Elektrizität wird die Batterie 20 geladen. Zum zweiten Zeitpunkt wird das Gatetreibersignal UH auf niedrigen Pegel geschaltet und wird das Gatetreibersignal UL auf niedrigen Pegel geschaltet. Im Reaktor 110 gespeicherte Elektrizität wird der Batterie 20 durch die Diode 118 zugeführt, und mit der Elektrizität wird die Batterie 20 geladen. Wie aus 2 ersichtlich, kann die regenerative elektrische Energie Preg den Lasten 31 zu Hilfsvorrichtungen, wie etwa der Luftpumpe 60, zugeführt werden. Danach werden der erste Zeitpunkt und der zweite Zeitpunkt während der Periode wiederholt, in der die Spannung herabgesetzt wird.
Wie oben beschrieben, wird der DC/DC-Wandler 22 als Wandler in Zerhackerbauart betrieben. Ferner kann der DC/DC-Wandler 22 auch als Direktverbindungs-Wandler betrieben werden. In dem Fall, wo der DC/DC-Wandler 22 als der Direktverbindungs-Wandler betrieben wird, wird, wenn das Gatetreibersignal UH auf hohem Pegel mit der Tastung von 100 [%] geschaltet wird und das Gatetreibersignal UL auf niedrigem Pegel mit dem Tastverhältnis 0 [%] geschaltet wird, um hierdurch elektrische Energie aus der Batterie 20 zu entladen, wird elektrischer Strom von der Primärseite 1S zur Sekundärseite 2S durch die Diode 114 zugeführt (z.B. elektrische Energie wird von der Batterie 20 zur Last 30 geleitet). Beim Laden der Batterie 20 mit elektrischer Energie wird die elektrische Energie von der Sekundärseite 2S der Batterie 20 durch das Oberastschaltelement 112 zugeführt (z.B. wird regenerative elektrische Leistung Preg von dem Motor 14 der Batterie 20 zugeführt).
Die ECU 24 steuert/regelt den Motor 14, den Inverter 16, die FC Einheit 18, die Lasten der Hilfsvorrichtung 31, die Batterie 20 und DC/DC-Wandler 22 etc. 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, 120, 126, den Stromsensoren 102, 124, 130 und den SOC-Sensor 104.
Zusätzlich zu den obigen Sensoren enthalten die verschiedenen Sensoren hier einen Betätigungsgradsensor 150, einen Motordrehzahlsensor 152 sowie einen Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 154 (1). Der Betätigungsgradsensor 150 erfasst den Betätigungsgrad θp [Grad] (Gasbetätigungsbetrag) eines Gaspedals 156, als Gaspedalwinkel, und der Motordrehzahlsensor 152 erfasst die Drehzahl Nm [UpM] des Motors 14. Der Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 154 erfasst die Fahrzeuggeschwindigkeit V [km/h] des FC Fahrzeugs 10. Ein Hauptschalter 158 (nachfolgend als „Haupt SW 158“ bezeichnet) ist 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 und entspricht dem Zündschalter des Kraftfahrzeugs.
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 regenerativen 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.
[Erläuterung des Basissteuerungsbetriebs]
Nachfolgend wird der Basissteuerungsbetrieb der ECU 24 beschrieben. Anhand der Basissteuerung wird später eine Ausführung beschrieben.
5 ist ein Flussdiagramm, das die Basissteuerung (Hauptroutine) 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] (oder Systemanforderungslast Psys), die von dem FC System 12 angefordert wird.
In Schritt S3 führt die ECU 24 ein Energiemanagement des FC Systems 12 basierend auf der berechneten Systemlast Psys durch. Das Energiemanagement dient hier hauptsächlich zum Unterdrücken einer Verschlechterung des FC Stapels 40 und zum Verbessern der Ausgabe (Systemeffizienz) des gesamten FC Systems 12.
In Schritt S4 implementiert die ECU 24, basierend auf den Ergebnissen des Energiemanagementbetriebs, eine Steuerung für Peripherievorrichtungen des FC Stapels 40, d.h. die Luftpumpe 60, das Gegendruckventil 64, 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 AUS Zustand ist (S6: JA), wird der gegenwärtige Prozess beendet.
6 ist ein Flussdiagramm zur Berechnung der Systemlast Psys im Schritt S2. 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 [UpM] 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 (Charakteristik) die Beziehung zwischen der Drehzahl Nm [UpM] und der geschätzten verbrauchten Leistung Pm [W] für jeden Betätigungsgrad θp gespeichert. Wenn z.B. der Betätigungsgrad θp θp1 ist, wird die Charakteristik 180 verwendet. In Fällen, wo die Betätigungsgrade θp gleich θp2, θp3, 0p4, θp5 und θp6 sind, werden jeweils die Charakteristiken 182, 184, 186, 188 und 190 verwendet. Nach der Charakteristik, die die Beziehung zwischen den Drehzahlen Nm und der geschätzten verbrauchten elektrischen Energie Pm basierend auf dem Betätigungsgrad θp bestimmt worden ist, wird die geschätzte verbrauchte elektrische Energie Pm entsprechend der Drehzahl Nm basierend auf der bestimmten Charakteristik bestimmt. Während der Beschleunigung im Stromfahrmodus hat die geschätzte verbrauchte elektrische Energie Pm einen positiven Wert. Während Verzögerung im Regenerationsmodus hat die geschätzte elektrische Energie Pm einen negativen Wert. Das heißt, in diesem Modus bezeichnet diese geschätzte verbrauchte elektrische Energie Pm die geschätzte regenerative elektrische Energie.
In Schritt S14 liest die ECU 24 Daten der gegenwärtigen Betriebsbedingungen der Last 31 von den Hilfsvorrichtungen. Zum Beispiel enthalten, wie in 2 gezeigt, die Hilfsvorrichtungen hierin Hochspannungshilfsvorrichtungen, wie etwa die Luftpumpe 60, die Wasserpumpe 80 und die Klimaanlage 90, sowie Niederspannungshilfsvorrichtungen wie etwa die Niederspannungsbatterie 94, das Zusatzgerät 96 und die ECU 24. Zum Beispiel wird für den Betriebszustand der Luftpumpe 60 die Drehzahl Nap [UpM] der Luftpumpe 60 gelesen. Für den Betriebszustand der Wasserpumpe 80 wird die Drehzahl Nwp [rpm] der Wasserpumpe 80 gelesen. Für den Betriebszustand der Klimaanlage 90 werden die Leistungseinstellungen der Klimaanlage 90 gelesen.
In Schritt S15 berechnet die ECU 24 die von den Hilfsvorrichtungen verbrauchte elektrische Leistung Pa [W] in Abhängigkeit von den gegenwärtigen Betriebszuständen der Hilfsvorrichtungen.
In Schritt S16 berechnet die ECU 24 die Summe der vom Motor 14 verbrauchten geschätzten elektrischen Leistung Pm und der von den Hilfsvorrichtungen verbrauchten elektrischen Leistung Pa (vorläufige Systemlast Pm + Pa), um den geschätzten elektrischen Energieverbrauch des gesamten FC-Fahrzeugs 10 zu bestimmen. Das heißt, die ECU 24 berechnet die Systemlas Psys (Psys = Pm + Pa, auch als Psys ←Pm + Pa bezeichnet).
Wie oben beschrieben zielt das Energiemanagement gemäß der vorliegenden Ausführung darauf ab, eine Verschlechterung des FC-Stapels 40 zu unterdrücken und die Effizienz der Ausgangsleistung des gesamten FC-Systems 12 zu verbessern.
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 Kurve (Charakteristik) 142 zeigt in 8 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 der Spannung v1 zu der Spannung v2 (z.B. 0,8 V) findet die Reduktionsreaktion stabil statt (nachfolgend als „stabiler Platinreduktionsbereich R2“ oder „stabiler Reduktionsbereich R2“ bezeichnet, oder „Spannungsbereich R2, wo die Katalysatorreduktion stabil fortschreitet“).
In einem Bereich von der Spannung v2 zu der Spannung v3 (z.B. 0,9 V), findet eine Oxidations-Reduktionsreaktion von Platin statt (nachfolgend als „Platin-Redox-Ablaufbereich R3“ oder „Redox-Ablaufbereich R3“ bezeichnet). In einem Bereich von der Spannung v3 zur Spannung v4 (z.B. 0,95 V) findet die Oxidationsreaktion von Platin stabil statt (nachfolgend als „stabiler Platin-Oxidationsbereich R4“ oder „stabiler Oxidationsbereich R4“ bezeichnet). In einem Bereich von dem elektrischen Potential v4 zu OCV (Leerlauf-Spannung), findet die Oxidation von Kohlenstoff in der FC-Zelle statt (nachfolgend als „Kohlenstoffoxidationsbereich R5“ bezeichnet).
Wenn, wie oben beschrieben, in 8 die Zellenspannung Vcell im PlatinReduktionsbereich R2 oder dem stabilen Platin-Oxidationsbereich R4 liegt, erfolgt die Verschlechterung der FC Zelle um ein kleineres Maß. Wenn hingegen die Zellenspannung Vcell im Platin-Aggregationsverstärkungsbereich R1, im Platin-Redox-Ablaufbereich R3 oder im Kohlenstoffoxidationsbereich R5 liegt, erfolgt die Verschlechterung der FC Zelle auf ein größeres Maß.
In 8 wird die Kurve (Charakteristik) 142 auf ihrer einen Seite eindeutig bestimmt. Jedoch verändert sich in der Praxis die Kurve (Charakteristik) 142 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 durchgehende Kurve 170 (Charakteristik) einen Fall, wo die Veränderungsgeschwindigkeit Acell hoch ist, und die gepunktete Kurve 172 (Charakteristik) 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 Spannungen v1 bis v4 nicht notwendiger Weise eindeutig bestimmt werden. Ferner können sich die Spannungen v1 bis v4 in Abhängigkeit von der individuellen Differenz in der FC Spannung verändern. Daher sollten bevorzugt die Spannungen v1 bis v4 so gesetzt werden, dass Fehler in den theoretischen Werten, den Simulationswerten oder Messwerten berücksichtigt werden.
Ferner nimmt, in der Stromspannungs(I-V)-Charakteristik der FC-Zelle, wie im Falle von normalen Brennstoffzellen, wenn die Zellenspannung Vcell abnimmt, der Zellenstrom Icell [A] zu (siehe I-V-Charakteristik 162, die in 10 mit „normal“ bezeichnet ist, nachfolgend als „normale I-V-Charakteristik bezeichnet). Zusätzlich erhält man die Stromerzeugungsspannung (FC-Spannung Vfc) des FC-Stapels 40 durch Multiplizieren der Zellenspannung Vcell mit der seriellen Verbindungsanzahl Nfc. Die serielle Verbindungsanzahl Nfc bezeichnet die Anzahl von FC-Zellen, die in dem FC-Stapel 40 seriell verbunden sind. Die Serienverbindungsanzahl Nfc wird auch einfach als „Zellenzahl“ bezeichnet.
Die normale I-V-Charakteristik 162 in 10 erhält dann, wenn Sauerstoff im reichen Zustand vorliegt, d.h. das kathodenseitige stöchiometrische Verhältnis (das nahezu gleich der Sauerstoffkonzentration ist), ist das normale stöchiometrische Verhältnis oder mehr. Anders ausgedrückt, wenn Sauerstoff im reichen Zustand ist, ist die Sauerstoffkonzentration die normale Sauerstoffkonzentration oder darüber. Das kathodenseitige stöchiometrische Verhältnis bedeutet hier (Strömungsrate der der Kathoden zugeführten Luft) durch (Strömungsrate der durch Stromerzeugung verbrauchten Luft). In der vorliegenden Ausführung wird das kathodenseitige stöchiometrische Verhältnis auch einfach als das stöchiometrische Verhältnis bezeichnet.
Der Ausdruck „Sauerstoff ist im reichen Zustand“ bedeutet einen Zustand, wie in 11 gezeigt, wo, selbst wenn das kathodenseitige stöchiometrische Verhältnis (das nahezu gleich der Sauerstoffkonzentration ist) zunimmt, der von der Einheitszelle ausgegebene Zellenstrom Icell im Wesentlichen auf einen konstanten Pegel gehalten wird. In diesem Zustand befindet sich Sauerstoff in einem Bereich oberhalb des normalen stöchiometrischen Verhältnisses, wo Sauerstoff gesättigt ist.
Das stöchiometrische Verhältnis von Wasserstoff ist in der gleichen Weise zu verstehen. Das heißt, dass anodenseitige stöchiometrische Verhältnis (das nahezu gleich der Wasserstoffkonzentration ist) wird ausgedrückt durch (Strömungsrate des der Anode zugeführten Wasserstoffs) / (Strömungsrate des durch Stromerzeugung verbrauchten Wasserstoffs).
Nachfolgend wird im Energiemanagement und bei der FC-Stromerzeugungssteuerung in den Schritten S3 und S4 die Basissteuerung (Basisenergiemanagement-Stromerzeugungssteuerung) in Bezug auf ein Flussdiagramm in 12 beschrieben.
In Schritt S21 berechnet die ECU 24 den Lade/Entladekoeffizienten α und multipliziert die in Schritt S16 berechnete Systemlast Psys mit dem berechneten Lade/Entladekoeffizienten α, um eine elektrische Soll-FC-Leistung (Pfctgt ←Psys × α).
Der Lade/Entladekoeffizient α wird hierin basierend auf dem vom SOC-Sensor 104 eingegebenen gegenwärtigen SOC-Wert und einer Charakteristik (Kennfeld) 163 in 14 errechnet. Zum Beispiel können gemessene Werte, Simulationswerte oder dergleichen als die Charakteristik 163 in 14 verwendet werden, und sie wird vorab in der ECU 24 gespeichert. In der Ausführung beträgt der Soll-SOC (Sollenergiespeichermenge) der Batterie 20 hier 50 [%]. Jedoch ist die vorliegende Erfindung in dieser Hinsicht nicht eingeschränkt.
In der Ausführung wird, wie in 14 gezeigt, in einem Bereich, wo der SOC-Wert kleiner als 50 [%] ist (wenn aufgeladen werden sollte), der Lade/Entladekoeffizient α auf einen Wert größer als „1“ gesetzt. Auf diese Weise findet im FC-Stapel eine übermäßige Stromerzeugung statt, und die übermäßige elektrische Energie wird zum Laden der Batterie 20 verwendet. In einem Bereich, wo der SOC-Wert größer als 50 [%] ist (wenn die Batterie 20 in einem ausreichend geladenen Zustand ist), wird der Lade/Entladekoeffizient α auf einen Wert kleiner als „1“ gesetzt. Auf diese Weise tritt bei der Stromerzeugung des FC-Stapels 40 Mangel an elektrischer Energie auf, und die von der Batterie 20 entladene elektrische Energie wird zum Kompensieren des Mangels an elektrischer Energie genutzt.
Zum leichteren Verständnis sei in der folgenden Beschreibung angenommen, dass der Lade/Entladekoeffizient α 1 ist (Pfcgt = Psys).
In Schritt S22 bestimmt die ECU 24, ob die im Schritt S21 berechnete elektrische Sollstromerzeugungsleistung Pfctgt eine elektrische Schwellenwertleistung Pthp oder darüber (Pfctgt ≥ Pthp) ist oder nicht.
Die elektrische Schwellenwertleistung Pthp bedeutet hierin einen festen Wert, den man durch Multiplizieren der „Zellenspannung, von der man annimmt, dass sie keine Verschlechterung des Katalysators verursacht (0,8 V, Schaltspannung, vorbestimmte Spannung)“, „Anzahl der Einheitszellen des FC-Stapels 40 (Zellenzahlen FC)“ und „Stromwert Icellp in dem Fall, wo die Zellenspannung 0,8 V in der normalen I-V-Charakteristik 162 des FC-Stapels 40 (siehe 10)“ erhält. Diese elektrische Schwellenwertleistung Pthp kann durch den folgenden Ausdruck (1) errechnet werden. In 10 sei angemerkt, dass die Achse zwischen Sollleistung Pfctgt nicht linear ist. $Pthp=0,8 [V] ×Nfc×Icellp$
In dem Fall, wo die elektrische Sollstromerzeugungsleistung Pfctgt die elektrische Schwellenwertleistung Pthp oder darüber ist (S22: JA), wird in Schritt S23 die spannungsvariable/stromvariable-Steuerung/Regelung (Modus-A-Steuerung) implementiert, um die elektrische Soll-FC-Leistung Pfctgt zu erhalten.
Diese Modus-A-Steuerung wird hauptsächlich verwendet, wenn die elektrische Soll-FC-Leistung Pfctgt relativ hoch ist. In dem Zustand, wo die Sollsauerstoffkonzentration Cotgt im normalen Zustand bleibt (einschließlich des sauerstoffreichen Zustands), wird die Soll-FC-Spannung Vfctgt durch den DC/DC-Wandler 22 reguliert, um den FC-Strom Ifc zu regeln.
Das heißt, wie in 13 gezeigt, wird in der Modus-A-Steuerung, die implementiert wird, wenn die elektrische Soll-FC-Leistung Pfctgt die elektrische Schwellenwertleistung Pthp oder mehr ist, die normale I-V-Charakteristik 162 des FC-Stapels 40 (gleich jener wie in 10) verwendet. In der Modus-A-Steuerung wird der Soll-FC-Strom Ifctgt entsprechend der elektrischen Soll-FC-Leistung Pfctgt berechnet. Ferner wird die Soll-FC-Spannung Vfctgt entsprechend dem Soll-FC-Strom Ifctgt berechnet. Dann steuert die ECU 24 den DC/DC-Wandler 22 derart an, dass die FC-Spannung Vfc auf die Soll-F-C-Spannung Vfctgt reguliert wird. Das heißt, die FC-Spannung Vfc wird gesteuert, um den FC-Strom Ifc durch Erhöhen (Hochstufen) der Primärspannung V1 durch den DC/DC-Wandler 22 derart zu steuern, dass die Sekundärspannung V2 auf die Soll-FC-Spannung Vfctgt reguliert wird.
Selbst wenn in der oben beschriebenen Modus-A-Steuerung die elektrische Soll-FC-Leistung Pfctgt die elektrische Schwellenwertleistung Pthp oder mehr ist, d.h. die Systemlast Psys hoch ist, wird die Sekundärspannung V2 (FC-Spannung Vfc) durch den DC/DC-Wandler 22 gemäß der normalen I-V-Charakteristik 162 entsprechend der elektrischen Soll-FC-Leistung Pfctgt geändert, wodurch grundlegend die Systemlast Psys durch die elektrische FC-Leistung Pfc gedeckt werden kann.
Wenn bei der Bestimmung in Schritt S22 die elektrische Soll-FC-Leistung Pfctgt geringer als die elektrische Schwellenwertleistung Pthp ist (Schritt S22: NEIN), wird in Schritt S24 bestimmt, ob die in Schritt S21 berechnete elektrische Soll-FC-Leistung Pfctgt niedriger als die elektrische Schwellenwertleistung Pthq (Pfctgt < Pthq) ist oder nicht. Zum Beispiel wird die elektrische Schwellenwertleistung Pthq entsprechend der Zellenspannung von 0,9 [V] (Vcell = 0,9 [V]) bestimmt. Daher ist die elektrische Schwellenwertleistung Pthq kleiner als die elektrische Schwellenwertleistung Pthp (Pthq < Pthp, siehe 13).
In dem Fall, wo die Bestimmung in Schritt S24 negativ ist, d.h. in dem Fall, wo die elektrische Soll-FC-Leistung Pfctgt niedriger als die elektrische Schwellenwertleistung Pthp ist, und gleich oder größer als die elektrische Schwellenwertleistung Pthq (Schritt S24: NEIN, Pthq ≤ Pfctgt < Pthp), wird in Schritt S25 die Festspannung/stöchiometrisches-Verhältnis-stromvariable-Steuerung/Regelung (Modus-B-Steuerung) implementiert. Es sollte angemerkt werden, dass die Festspannung/stöchiometrisches-Verhältnis-stromvariable-Steuerung/Regelung von Modus B in der gleichen Weise wie der Modus-C-Steuerung und der Modus-E-Steuerung implementiert wird, die später beschrieben werden. Im Gegensatz zur Spannungsvariablen-Stromvariablen-Steuerung/Regelung in der Modus-A-Steuerung, wie oben beschrieben, ist die Modus-B-Steuerung in Bezug auf die Festspannung/Stromvariable-Steuerung/Regelung der Modus-C-Steuerung und der Modus-E-Steuerung gemeinsam. Daher wird die Steuerung auch als CWC (Konstantspannungs-stromvariable)-Steuerung/Regelung bezeichnet.
Die Modus-B-Steuerung wird hauptsächlich verwendet, wenn die Systemlast Psys relativ mittel ist. Im Zustand, wo die Sollzellenspannung Vcelltgt (= Soll-FC-Spannung Vfctgt / Zellenzahl Nfc) auf die Referenzspannung fixiert ist (in der vorliegenden Ausführung die Spannung v2 ( = 0,8V)), die gleich oder kleiner als die Spannung unterhalb des Redoxablaufbereichs R3 gesetzt ist, ist die Sollsauerstoffkonzentration variabel, und daher ist der FC-Strom Ifc variabel.
Das heißt, wie in 13 gezeigt, wird also in der Modus-B-Steuerung in dem Bereich zwischen der elektrischen Schwellenwertleistung Pthq und der elektrischen Schwellenwertleistung Pthp die Zellenspannung Vcell auf konstantem Pegel gehalten (Vcell = v2). In diesem Zustand wird die Sollsauerstoffkonzentration Cotgt geändert, um hierdurch die Sauerstoffkonzentration Co zu verringern.
Da, wie in 11 gezeigt, das kathodenseitige stöchiometrische Verhältnis (das nahezu gleich der Sauerstoffkonzentration Co ist) abnimmt, nimmt dementsprechend der Zellenstrom Icell (FC-Strom Ifc) ab. Daher wird es in dem Zustand, wo die Zellenspannung Vcell auf konstantem Niveau gehalten wird (Vcell = v2 = 0,8 V), in dem die Sauerstoffkonzentration Cotgt erhöht oder verringert wird, möglich, den Zellenstrom Icell (FC-Strom Ifc) und die elektrische FC-Leistung Pfc zu steuern. Der Mangel der elektrischen FC-Leistung Pfc wird durch die Batterie 20 ergänzt.
In diesem Fall reguliert die ECU 24 das Hochstufungs-Spannungsverhältnis des DC/DC-Wandlers 22, um hierdurch die Soll-FC-Spannung Vfctgt auf die Referenzspannung festzulegen (in der vorliegenden Ausführung die Spannung v2 = 0,8 V), welche gleich oder kleiner als die Spannung unterhalb des Redoxablaufbereichs R3 gesetzt ist, und berechnet den Soll-FC-Strom Ifctgt entsprechend der elektrischen Soll-FC-Leistung Pfctgt. Ferner berechnet die ECU 24 die Sollsauerstoffkonzentration Cotgt entsprechend dem Soll-F-C-Strom Ifctgt unter der Voraussetzung, dass die Soll-FC-Spannung Vfctgt auf der Referenzspannung liegt (siehe 11 und 15). 15 zeigt die Beziehung zwischen dem Soll-FC-Strom Ifctgt und der Sollsauerstoffkonzentration Cotgt, wenn die FC-Spannung Vfc auf der Referenzspannung v2 liegt.
Hierbei berechnet die ECU 24 in Abhängigkeit von der Sollsauerstoffkonzentration Cotgt Anweisungswerte und schickt sie zu den jeweiligen Komponenten. Die Anweisungswerte enthalten hierin die Drehzahl der Luftpumpe 60 (nachfolgend als „Luftpumpendrehzahl Nap“ bezeichnet oder „Drehzahl Nap“), die Drehzahl der Wasserpumpe 80 (nachfolgend als „Wasserpumpendrehzahl Nwp“ oder „Drehzahl Nwp“ bezeichnet), und den Öffnungsgrad des Gegendruckventils 64 (nachfolgend als „Gegendruckventilöffnungsgrad θbp“ oder „Öffnungsgrad θbp“ bezeichnet).
Das heißt, wie in den 16 und 17 gezeigt, dass die Sollluftpumpendrehzahl Naptgt die Wasserpumpensolldrehzahl Naptgt und der Sollgegendruckventilöffnungsgrad θbptgt in Abhängigkeit von der Sollsauerstoffkonzentration Cotgt bestimmt werden.
Auf diese Weise wird die Modus-B-Steuerung in Schritt S25 implementiert.
Dann bestimmt in Schritt S26 die ECU 24, ob die Stromerzeugung durch den FC-Stapel 40 stabil erfolgt oder nicht. Wenn bei der Bestimmung die vom Zellenspannungsmonitor 42 eingegebene niedrigste Zellenspannung niedriger als die Spannung ist, die man durch Subtrahieren einer vorbestimmten Spannung von der durchschnittlichen Zellenspannung (niedrigste Zellenspannung < (durchschnittliche Zellenspannung - vorbestimmte Spannung)) erhält, bestimmt die ECU 24, dass die Stromerzeugung des FC-Stapels 40 nicht stabil ist. Zum Beispiel können Messwerte, Simulationswerte oder dergleichen als die vorbestimmten Spannungen verwendet werden.
Wenn die Stromerzeugung stabil ist (S26: JA), wird der gegenwärtige Prozess beendet. Wenn die Stromerzeugung nicht stabil ist (S26: NEIN), dann erhöht die ECU 24 in Schritt S27 die Sollsauerstoffkonzentration Cotgt um eine Stufe (näher zur normalen Konzentration hin). Insbesondere wird die Steuerung zum Erhöhen der Drehzahl der Luftpumpe 60 und die Steuerung zum Verringern des Öffnungsgrades θbp des Gegendruckventils 64 um eine Stufe ausgeführt.
In Schritt S28 bestimmt die ECU 24, ob die Sollsauerstoffkonzentration Cotgt geringer als die Sollsauerstoffkonzentration der normalen I-V-Charakteristik (normale Sauerstoffkonzentration Conml) ist oder nicht. Wenn die Sollsauerstoffkonzentration Cotgt geringer als die normale Sauerstoffkonzentration Conml ist (S28: JA), kehrt der Prozess zu Schritt S26 zurück. Wenn die Sollsauerstoffkonzentration Cotgt nicht geringer als die normale Sauerstoffkonzentration Conml ist (S28: NEIN), stoppt die ECU 24 in Schritt 29 den Betrieb der FC-Einheit 18. Das heißt, die ECU 24 stoppt die Zufuhr von Wasserstoff und Luft zu dem FC-Stapel 40, um hierdurch die Stromerzeugung des FC-Stapels 40 zu stoppen. Dann schaltet die ECU 24 eine Alarmlampe (nicht gezeigt) ein, um den Fahrer zu melden, dass in dem FC-Stapel 40 ein Fehler vorliegt. Es sollte angemerkt werden, dass die ECU 24 elektrischen Strom von der Batterie 20 dem Motor 14 zuführt, um zu erlauben, dass das FC-Fahrzeug 10 weiterfährt.
Wenn bei der Bestimmung im oben beschriebenen Schritt S24 die elektrische Soll-FC-Leistung Pfctgt niedriger als die elektrische Schwellenwertleistung Pthq ist (Schritt S24: JA), wird in Schritt S30 die Modus-C-Steuerung implementiert. Wie in 13 gezeigt, wird die Modus-C-Steuerung dann verwendet, wenn die elektrische Soll-FC-Leistung Pfctgt relativ niedrig ist. Die Sollzellenspannung Vcelltgt (= Soll-FC-Spannung Vfctgt / Zellenzahl), wird auf eine auf die Spannung (in der vorliegenden Ausführung die Spannung v3 (= 0,9 V)) außerhalb des Redoxablaufbereichs R3 fixiert, und der FC-Strom Ifc ist variabel. Der Mangel der elektrischen FC-Leistung Pfc wird durch die Batterie 20 ergänzt, und überschüssige elektrische Energie der elektrischen FC-Leistung Pfc wird zum Laden der Batterie 20 verwendet.
In der Modus-C-Steuerung wird, wie in 13 gezeigt, die Zellenspannung Vcell auf einen konstanten Pegel fixiert (Vcell = v3). In diesem Zustand wird die Sollsauerstoffkonzentration Cotgt verringert, um hierdurch die Sauerstoffkonzentration Co zu verringern.
Wenn, wie in 11 gezeigt, das kathodenseitige stöchiometrische Verhältnis (das nahezu gleich der Sauerstoffkonzentration Co ist) abnimmt, nimmt der Zellenstrom Icell (FC-Strom Ifc) ab. Somit wird es durch Erhöhen oder Verringern der Sollsauerstoffkonzentration Cotgt, während die Zellenspannung Vcell auf konstantem Niveau (Vcell = v3 = 0,9 V) gehalten wird, möglich, den Zellenstrom Icell (= FC-Strom Ifc) und die elektrische FC-Leistung Pfc zu steuern/regeln. Der Mangel der elektrischen FC-Leistung Pfc wird durch die Batterie 20 ergänzt. Daher werden in der Modus-C-Steuerung der Prozess in der gleichen Weise wie des der Modus-B-Steuerung im oben beschriebenen Schritt S25 und der Prozess in Bezug auf die Stromerzeugungsstabilität in den Schritten S26 bis S29 durchgeführt.
Auf diese Weise wird die Basissteuerung gemäß Energiemanagement und die FC-Stromerzeugungssteuerung der Schritte S2 und S4 implementiert.
18 zeigt in einem Flussdiagramm die Drehmomentregelung des Motors 14 in Bezug auf den Prozess in Schritt S5. In Schritt S41 liest die ECU 24 die Fahrzeuggeschwindigkeit Vs von dem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 154. In Schritt S42 liest die ECU 24 den Betätigungsgrad θp des Gaspedals 156 von dem Betätigungsgradsensor 150.
In Schritt S43 berechnet die ECU 24 ein vorläufiges Solldrehmoment Ttgt_p [N·m] des Motors 14 basierend auf der Fahrzeuggeschwindigkeit Vs und dem Betätigungsgrad θp. Insbesondere wird ein Kennfeld, das die Beziehung zwischen der Fahrzeuggeschwindigkeit Vs, dem Betätigungsgrad θp und dem vorläufigen Solldrehmoment Ttgt_p präsentiert, in einem Speicher (nicht gezeigt), und das vorläufige Solldrehmoment Ttgt_p wird basierend auf dem Kennfeld, der Fahrzeuggeschwindigkeit Vs und dem Betätigungsgrad θp errechnet.
In Schritt S44 bestimmt die ECU 24, ob der Motor 14 elektrische Energie generiert oder nicht. Wenn der Motor 14 keine elektrische Energie regeneriert, berechnet die ECU 24 die Grenzausgangsleistung des Motors 14 (Motorgrenzausgangsleistung Pm_lim) [W]. Die Motorgrenzausgangsleistung Pm_lim ist gleich dem Grenzwert der elektrischen Leistung (elektrische Grenzzufuhrleistung Pm_lim) [W], die von dem FC-System 12 dem Motor 14 zugeführt werden kann. Insbesondere werden die elektrische Grenzzufuhrleistung Ps_lim und die Motorgrenzausgangsleistung Pm_lim errechnet, indem die durch die Hilfsvorrichtungslasten 31 verbrauchte elektrische Leistung Pa von der Summe der elektrischen FC-Leistung Pfc vom Brennstoffstapel 40 und des Grenzwerts (Grenzausgangsleistung Pbat_lim) der elektrischen Energie, die von der Batterie 20 zugeführt werden kann, subtrahiert wird (Pm_lim = Ps_lim ← Pfc + Pbat_lim - Pa).
In Schritt S45 berechnet die ECU 24 den Grenzdrehmomentwert Tlim [N m] des Motors 14. Insbesondere wird der Grenzdrehmomentwert Tlim bestimmt, indem die Motorgrenzausgangsleistung Pm_lim durch die Fahrzeuggeschwindigkeit Vs dividiert wird (Tlim ←Pm_lim/Vs).
Wenn in Schritt S44 die ECU 24 bestimmt, dass der Motor 14 elektrische Energie regeneriert, berechnet die ECU 24 eine elektrische Grenzzufuhrregenerativleistung Ps_reglim. Diese elektrische Grenzzufuhrregenererativleistung Ps_reglim wird errechnet, indem die von den Hilfsvorrichtungen verbrauchte elektrische Leistung Pa von der Summe des Grenzwerts der elektrischen Energie, mit der die Batterie 20 geladen werden kann (Ladegrenze Pbat_chglim) und der elektrischen FC-Leistung Pfc vom Brennstoffstapel 40 subtrahiert wird (Ps_reglim = Pbat_chglim + Pfc - Pa). Wenn der Motor 14 elektrische Energie regeneriert, berechnet in Schritt S45 die ECU 24 den Regenerationsdrehmomentgrenzwert Treglim [N·m] des Motors 14. Insbesondere wird der Drehmomentgrenzwert Tlim errechnet, indem die elektrische Grenzufuhrregenerativleistung Ps_reglim durch die Fahrzeuggeschwindigkeit Vs dividiert wird (Tlim ←Ps_reglim/Vs).
In Schritt S46 berechnet die ECU 24 das Solldrehmoment Ttgt [N·m]. Insbesondere berechnet die ECU 24 das Solldrehmoment Ttgt, indem sie eine Begrenzung des Drehmomentgrenzwerts Tlim auf das vorläufige Solldrehmoment Ttgt_p setzt. Zum Beispiel wird in dem Fall, wo das vorläufige Solldrehmoment Ttgt_p der Drehmomentgrenzwert Tlim oder geringer ist (Ttgt_p ≤ Tlim) das vorläufige Ttgt_p direkt als das Solldrehmoment Ttgt verwendet (Ttgt ←Ttgt_p). In dem Fall, wo das vorläufige Solldrehmoment Ttgt_p den Drehmomentgrenzwert Tlim überschreitet (Ttgt_p > Tlim), wird der Drehmomentgrenzwert Tlim als das Solldrehmoment Ttgt verwendet (Ttgt ←Tlim). Das berechnete Solldrehmoment Ttgt wird zum Steuern des Motors 14 verwendet.
19 zeigt die Beziehung zwischen der elektrischen FC-Leistung Pfc und der Stromerzeugungseffizienz des FC-Stapels 40 der Modus-A-Steuerung, der Modus-B-Steuerung und der Modus-C-Steuerung gemäß dem oben beschriebenen Stromversorgungsmodus. Wie aus 19 ersichtlich, wird grundlegend in der Modus-A-Steuerung die gesamte Systemlast Psys mit der elektrischen FC-Leistung Pfc abgedeckt, um die hohe Stromerzeugungseffizienz des FC-Stapels 40 wird beibehalten. In der Modus-B-Steuerung, wo die Spannung auf v2 fixiert ist, ist das stöchiometrische Verhältnis (die Sauerstoffkonzentration) grundlegend niedrig und variabel durch Abdeckung der gesamten Systemlast Psys durch die elektrische FC-Leistung Pfc, wobei das Laden/Entladen der Batterie 20 weniger häufig stattfindet und es möglich wird, die Leistungseffizienz des gesamten FC-Systems 12 zu verbessern. In der Modus-C-Steuerung wird die Systemlast Psys von der elektrischen FC-Leistung Pfc und der elektrischen Batterieleistung Pbat abgedeckt.
Nun wird ein Prozess der Energiemanagement-/Stromerzeugungssteuerung gemäß ersten und zweiten Ausführungen basierend auf den oben beschriebenen Basissteuermodi (Modus-A-Steuerung, Modus-B-Steuerung und Modus-C-Steuerung) in Bezug auf die Flussdiagramme der 20 und 21 beschrieben.
[Erste Ausführung]
In Schritt S61 wird bestimmt, ob die Temperatur Tfc des FC-Stapels 40 niedrig ist oder nicht (es wird bestimmt, ob die Temperatur Tfc des FC-Stapels 40 gleich oder kleiner als ein unterer Temperaturbestimmungsschwellenwert Tlth von z.B. 5[°C] oder 10[°C] ist oder nicht). In dieser Bestimmung könnten, anstelle der Temperatur Tfc des FC-Stapels 40, verwendet werden die Auslasstemperatur des Kühlmittels (Temperatur des durch das Rohr 82a in 3 fließenden Kühlmittels) oder die Auslasstemperatur des Kathodenabgases des FC-Stapels 40 (Temperatur des durch das Rohr 62b in 3 fließenden Kathodenabgases), oder die Auslasstemperatur des Anodenabgases des FC-Stapels 40 (Temperatur des durch das Rohr 48b in 3 fließenden Anodenabgases). In dieser ersten Ausführung und einer anschließend beschriebenen zweiten Ausführung wird die Temperatur, die vom Temperatursensor 72 zum Erfasssen der Temperatur des Kathodenabgases gemessen wird, als die Temperatur Tfc des FC-Stapels 40 angesehen.
Wenn die Temperatur Tfc des FC-Stapels 40 nicht niedrig ist (Tfc > Tlth), wird in Schritt S62 bestimmt, ob der Motor 14 elektrische Energie regeneriert oder nicht.
Wenn der Motor 14 elektrische Energie regeneriert (S62: JA), wird die Modus-E-Steuerung (CVVC-Steuerung) in Schritt S63, wie später im Detail beschrieben, implementiert. Wenn der Motor 14 keine elektrische Energie regeneriert (Schritt S62: NEIN), wird in Schritt S64 die Basissteuerung, die oben im Bezug auf das Flussdiagramm in 12 beschrieben ist, implementiert.
Nun wird die Signifikanz der Verwendung der Modus-E-Steuerung in Schritt S63 beschrieben. In der Modus-B-Steuerung und Modus-C-Steuerung (die Modus-B- und C-Steuerung sind CWC-Steuerungen), außer der Modus-A-Steuerung (Modus-A-Steuerung ist keine CVVC-Steuerung sondern eine normale Steuerung), wird die Spannung des FC-Stapels 40 auf die Spannung v2 = 0,8 V oder v3 = 0,9 V außerhalb des Redox-Ablaufbereichs R3 durch die DC/DC-Wandler 22 festgelegt, und das stöchiometrische Verhältnis wird in einen variablen sauerstoffarmen Stöchiometrieverhältniszustand gesetzt, wo das stöchiometrische Verhältnis kleiner als das normale stöchiometrische Verhältnis ist, und dann wird die Steuerung an dem elektrischen FC-Strom Ifc durchgeführt, und somit an der elektrischen FC-Leistung Pfc.
Ferner wird während der obigen Basissteuermodi (Modi A, B und C) z.B. während Verzögerung der Fahrzeuggeschwindigkeit Vs des FC-Fahrzeugs 10, wie in 1 gezeigt, der Motor 14 als Stromgenerator benutzt, und elektrischer Storm (elektrischer Regenerativstrom), der an den dreiphasigen Wicklungen des Motors 14 erzeugt wird, fließt in die Sekundärseite 2S des DC/DC-Wandlers 22 durch den Inverter 16.
Hierbei wird die Spannung V2 an der Sekundärseite 2S (Sekundärspannung) durch die ECU 24 bestimmt und durch den DC/DC-Wandler 22 gesteuert/geregelt. Die ECU 24 kann feststellen, ob der fließende elektrische Strom elektrischer Regenerativstrom oder elektrischer Antriebsfahrtstrom ist, und in die Fließrichtung des elektrischen Stroms erfasst wird, die durch jede Phase des Motors 14 fließt.
Der Motor 14 verwendet einen Permanentmagnet-Synchronmotor, der ein bürstenloser Motor ist. Die Stärke der elektrischen Regenerativleistung Preg wird grundlegend basierend auf der Stärke des Magnetfelds der Drehzahl des Motors 14 bestimmt.
Die Phase-zu-Phase-Spannung des Motors 14 (als „Motorspannung Vm“ bezeichnet) ist die Sekundärspannung V2 (Vm = V2). Daher sollte angemerkt werden, dass, wenn die Sekundärspannung V2 durch den DC/DC-Wandler 22 hochgesetzt wird, der Wert des elektrischen Regenerativstroms kleiner wird.
22 zeigt eine Charakteristik 164 der Effizienz des Motors 14 während Regeneration der elektrischen Leistung des Motors 14 (als Motorwirkungsgrad Mη[%] bezeichnet). Gemäß der Charakteristik 164 wird, wenn die Motorspannung Vm groß wird, der Wert des elektrischen Regenerativstroms kleiner. Daher werden die Eisen- und Kupferverluste klein, und der Motorwirkungsgrad Mη[%] wird hoch.
Überschüssige elektrische Regenerativleistung wird der Batterie 20 durch den DC/DC-Wandler 22 zum Laden der Batterie 20 zugeführt.
23 zeigt eine Charakteristik 166 des Ladewirkungsgrads Bη der Batterie 20. Gemäß der Charakteristik 166 wird, wenn der Ladestrom Ichg [A] groß wird, der aus dem Innenwiderstand der Batterie 20 resultierende Verlust proportional zum Quadrat des Ladestroms Ichg groß, und daher nimmt der Ladewirkungsgrad Bη ab.
Wenn in Schritt S62 bestimmt wird, dass der Motor 14 elektrische Energie regeneriert, d.h., wenn der Motor 14 elektrische Energie regeneriert, wenn der FC-Stapel 40 nicht auf niedriger Temperatur ist (Schritt S62: JA), wird in Schritt S63 die Modus-E-Steuerung (CVVC-Steuerung) durchgeführt. D.h., in der Modus-E-Steuerung (CVVC-Steuerung) fixiert der DC/DC-Wandler 22 die Zellenspannung Vcell des FC-Stapels 40 auf die Spannung Vlmi2 (z.B. Vlmi2 = 0,95 [V]), wo eine Verschlechterung D im stabilen Oxidationsbereich R4 in 8 am kleinsten ist, und die Stromerzeugung erfolgt bei einem stöchiometrischen Verhältnis, das niedriger ist als das normale stöchiometrische Verhältnis, so dass der FC-Strom Ifc, der vom FC-Stapel 40 ausgegebene elektrische Strom ist, um die Menge des elektrischen Regenerativstroms reduziert wird. Alternativ könnte die Modus-C-Steuerung, wie in 13 gezeigt, verwendet werden, um die Zellenspannung Vcell auf v3 (Vcell = v3) festzulegen.
Wie oben beschrieben, wird während Regeneration von elektrischer Energie, wenn die Temperatur nicht niedriger ist, durch Erhöhung der FC-Spannung Vfc des FC-Stapels 40 die Motorspannung Vm des Motors 14 erhöht, und der Motorwirkungsgrad Mη wird verbessert. Auf diese Weise wird der Energieverlust der elektrischen Regenerativleistung Preg reduziert. Da ferner das stöchiometrische Verhältnis verringert wird, um hierdurch zu verhindern, dass der Ladestrom durch den elektrischen Regenerativstrom erhöht wird, wird dementsprechend eine Verbesserung um Ladewirkungsgrad Bη der Batterie 20 erreicht.
In der Modus-E-Steuerung erfolgt die Stromerzeugung unter sauerstoffarmen Bedingungen bei variablem stöchiometrischem Verhältnis und fester Spannung im stabilen Oxidationsbereich R4, wo die Zellenspannung Vcell hoch ist. Wie aus 8 ersichtlich, ist im Hinblick auf die Verschlechterung D, bevorzugt Vcell = Vlmi2, und im Hinblick auf den Wirkungsgrad hat bevorzugt die Zellenspannung Vcell eine höhere Spannung v4 (Vcell = v4). Daher ist in der Modus-E-Steuerung, wo die Spannung fest ist, das stöchiometrische Verhältnis variabel und ist auch der elektrische Strom variabel (CVVC-Steuerung), wobei die Zellenspannung Vcell auf eine beliebig hohe Spannung zwischen v3 und v4 fixiert ist (v3 < Vcell ≤ v4).
24 ist ein Zeitdiagramm in dem Fall, wo bestimmt wird, dass der Motor 14 zur Zeit t11 elektrische Energie regeneriert. In Abschnitten des Zeitdiagramms, die unterhalb des Diagramms von Vfc [V/cell] gezeigt sind, repräsentieren die dicken unterbrochenen Linien Änderungscharakteristiken der Basissteuerung, und dicken durchgehenden Linien repräsentieren Änderungscharakteristiken der ersten Ausführung.
Wenn zur Zeit t11 eine Verzögerung der Fahrzeuggeschwindigkeit Vs beginnt, wird die Regeneration von elektrischer Energie gestartet. Somit wird die FC-Spannung Vfc [V/cell] von 0,8 [V/cell] bis auf 0,95 [V/cell] erhöht, und gleichzeitig wird das stöchiometrische Verhältnis vom normalen stöchiometrischen Verhältnis (Punkt auf der normalen I-V-Charakteristik 162 von 10) bei 0,95 [V] auf das niedrige stöchiometrische Verhältnis gesenkt, wo der FC-Strom Ifc vom FC-Strom Ifch auf den FC-Strom Ifcl absinkt. Es versteht sich, dass sowohl eine Verbesserung des Motorwirkungsgrads Mη als auch des Ladewirkungsgrads Bη erreicht wird.
Während der Steuerung im Übergang im Bereich der Zeit t11 zur Zeit t12 wird der Wert der Systemlast Psys stabilisiert, und während Verzögerungen mit der konstanten Rate ab der Zeit t12 hat die Systemlast Psys einen festen negativen Wert (während Regeneration von elektrischer Energie).
[Zusammenfassung der ersten Ausführung]
Wie oben beschrieben, enthält das Brennstoffzellenfahrzeug 10 gemäß der ersten Ausführung den FC-Stapel 40, die Gasversorgungseinheit (Brenngaszuführeinheit (Wasserstofftank 44), Sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhreinheit (Luftpumpe 60)), den DC/DC-Wandler 22 (Spannungsreglereinheit), den Motor 14 (Antriebsmotor), die Batterie 20 (Energiespeichervorrichtung) und die ECU 24 (Steuereinheit). Ein erstes sauerstoffhaltiges Gas und ein zweites wasserstoffhaltiges Gas werden dem FC-Stapel 40 zugeführt, und Reaktionen dieser Gase werden durch den Katalysator induziert, um mit dem FC-Stapel 40 eine Stromerzeugung durchzuführen. Die Gasversorgungseinheit führt das erste Gas und/oder das zweite Gas dem FC-Stapel 40 zu. Der DC/DC-Wandler 22 reguliert die FC-Spannung Vfc des FC-Stapels 40. Der Motor 14 ist eine Last, die von der vom FC-Stapel 40 ausgegebenen elektrischen Energie angetrieben wird. Die Batterie 20 speichert die vom Motor 14 regenerierte elektrische Energie. Die ECU 24 steuert/regelt den FC-Stapel 40, die Gasversorgungseinheit, den DC/DC-Wandler 22, den Motor 14 und die Batterie 20.
Während der Regeneration von elektrischer Energie durch den Motor 14 senkt die ECU 24 die Sauerstoffkonzentration oder Wasserstoffkonzentration durch die Gasversorgungseinheit, um hierdurch die elektrische FC-Leistung Pfc des FC-Stapels 40 zu verringern, in dem Zustand, wo die FC-Spannung Vfc des FC-Stapels 40 in einen vorbestimmten Spannungsbereich fixiert ist (Spannungsbereich des stabilen Oxidationsbereichs R4 zwischen v3 und v4) außerhalb des Redox-Ablaufspannungsbereichs (der Redox-Ablaufbereichs R3) des FC-Stapels 40 durch den DC/DC-Wandler 22 (z.B. wird die FC-Spannung Vfc auf v3 oder Vlmi2 fixiert (Vfc = v3 oder Vfc = VImi2)).
Auf diese Weise wird in dem Zustand, wo die Spannung des FC-Stapels 40 auf eine Spannung außerhalb des Redox-Ablaufspannungsbereichs (Redox-Ablaufbereichs R3) des FC-Stapels 40 durch den DC/DC-Wandler 22 fixiert ist, die Sauerstoffkonzentration oder die Wasserstoffkonzentration durch die Gasversorgungseinheit verringert, um die vom FC-Stapel 40 ausgegebene elektrische Leistung zu verringern und somit Verschlechterung des FC-Stapels 40 zu unterdrücken (s. 8). In dem Zustand, wo die Verschlechterung gedrückt wird, wird die durch Regeneration erhaltene elektrische Regenerativleistung Preg in der Batterie 20 gesammelt. Wenn daher die vom FC-Stapel 40 ausgegebene Leistung verringert wird, kann die elektrische Regenerativleistung Preg dementsprechend effizient gesammelt werden. Somit wird eine Verbesserung im Wirkungsgrad beim Sammeln der elektrischen Regenerativleistung Preg (Regenerationseffizienz) erreicht, während eine Verschlechterung des FC-Stapels 40 unterdrückt wird. Dementsprechend lässt sich der Systemwirkungsgrad verbessern. Ferner kann die Menge von zugeführtem Sauerstoff oder Wasserstoff reduziert werden. Die Menge des im Brennstoffzellenfahrzeug verbrauchten Wasserstoffs kann verringert werden, und somit erreicht man eine Verbesserung im sog. Kraftstoffverbrauch (z.B. Fahrstrecke pro Wasserstoffmengeneinheit).
In diesem Fall ist die vorbestimmte Spannung außerhalb des Redox-Ablaufspannungsbereichs (Redox-Ablaufbereich R3) des FC-Stapels 40 eine hohe Spannung, die höher ist als die obere Grenzspannung v3 des Redox-Ablaufspannungsbereichs, und niedriger als die untere Grenzspannung v4 des Kohlenstoff-Oxidationsablaufbereichs R5 (d.h. zwischen v3 und v4), um hierdurch die Motorspannung Vm des Motors 14 während Regeneration von elektrischer Energie auf eine hohe Spannung zu regulieren. Somit wird eine weitere Verbesserung im Regenerationsbewirkungsgrad erreicht, während eine Verschlechterung der Brennstoffzelle unterdrückt wird.
In dem Fall, wo die vorbestimmte Spannung außerhalb des Redox-Ablaufspannungsbereichs (Redox-Ablaufbereich R3) des FC-Stapels 40 auf die Spannung Vlmi2 gesetzt wird (s. 8), wo die Verschlechterung D des FC-Stapels 40 gering ist, innerhalb eines Spannungsbereichs (v3 < Vcell < v4), der oberhalb der oberen Grenzspannung v3 des Redox-Ablaufspannungsbereichs (Redox-Ablaufbereichs R3) liegt, kann die Unterdrückung der Verschlechterung maximiert werden (das Fortschreiten der Verschlechterung kann minimiert werden).
[Zweite Ausführung]
Wenn in Schritt S61 bestimmt wird, dass die Temperatur Tfc des FC-Stapels 40 niedrig ist (Tfc ≤ Tlth) (Schritt S61: JA), wird in Schritt S65 bestimmt, ob der Motor 14 elektrische Energie regeneriert oder nicht.
Wenn der Motor 14 keine elektrische Energie regeneriert, wird die Basissteuerung von Schritt S64 implementiert. Wenn der Motor 14 elektrische Energie regeneriert, d.h., wenn der Motor 14 elektrische Energie regeneriert wenn die Temperatur Tfc des FC-Stapels 40 niedrig ist (Tfc ≤ Tlth), wird in Schritt S66 die elektrische Leistung (in die Batterie ladbare elektrische Energie) Pbchg, mit der die Batterie 20 geladen werden kann, basierend auf der Batterietemperatur Tbat in Bezug auf die Charakteristik 168 der in die Batterie ladbaren elektrischen Energie Pbchg relativ zur Batterietemperatur Tbat in 25 berechnet.
Dann wird in Schritt S67 die erforderliche regenerative elektrische Leistung Preg des Motors 14 durch die folgende Gleichung berechnet: $Preg=k \times Tqreg×Nm×M η$
wobei k ein Koeffizient ist, Tqreg ein erforderliches Regenerationsdrehmoment ist, Nm eine Motordrehzahl ist und Mη ein Motorwirkungsgrad während Regeneration von elektrischer Energie ist.
Dann wird in Schritt S68 die elektrische Sollstromerzeugungsleistung Pfctgtlt während Regeneration von elektrischer Energie, wenn die Temperatur des FC-STapels 40 bei niedriger Temperatur ist, durch die folgende Gleichung (3) berechnet. Anders ausgedrückt, es wird die elektrische Stromerzeugungsleistung zum Erhalten (Sammeln) der gesamten elektrischen Regenerativleistung Preg des Motors 14 berechnet. $Pfctgtlt=Pbchg-Preg+Pa$
wobei Pbchg die in Schritt S66 berechnete in die Batterie ladbare elektrische Leistung ist, Preg die in Schritt S67 berechnete erforderliche elektrische Regenerativleistung ist, und Pa die von Hilfsvorrichtung wie etwa der Luftpumpe 60 verbrauchte elektrische Leistung ist.
Dann wird in Schritt S69 die Modus-B'-Steuerung implementiert. Die Modus-B'-Steuerung entspricht grundlegend der Modus-B-Steuerung, welche die Festspannung/variables stöichometrisches-Verhältnis-stromvariable Steuerung/Regelung ist, welche die CVVC-Steuerung ist, wie oben beschrieben.
Wie in 26 gezeigt, wird in der Modus-B'-Steuerung die Sollzellenspannung Vcelltgt (= Soll-FC-Spannung Vfctgt/Zellenzahl Nfc) auf eine Referenzspannung festgelegt (in der vorliegenden Ausführung Spannung v2 (= 0,8 V)), welche die gleich oder kleiner als die Spannung unterhalb des Redox-Ablaufbereichs R3 gesetzt ist, und die Sollsauerstoffkonzentration Cotgt ist variabel, und daher ist der FC-Strom Ifc variabel.
Unter der Modus-B'-Steuerung wird eine Rückkopplungsregelung der Sollsauerstoffkonzentration Cotgt implementiert, um den elektrischen FC-Strom Ifc zu verringern und die elektrische Stromerzeugungsleistung des FC-Stapels 40 zu verringern, so dass die elektrische Stromerzeugungsleitung während des Stromfahrtzustands (Modus-A-Steuerung) auf die elektrische Sollstromerzeugungsleistung Pfctgtlt während Regeneration von elektrischer Leistung bei niedriger Temperatur reguliert wird. Obwohl die elektrische Stromerzeugungsleistung des FC-Stapels 40 abnimmt, wird, weil die Sollzellenspannung Vcelltgt einen niedrigen Wert von v2 = 0,8 V hat, der Verlusts des FC-Stapels 40 groß, und dementsprechend das Aufwärmen des FC-Stapels 40 erleichtert.
Nun wird gemäß gemäß einem Flussdiagramm von 21 die Strömungsrate des Kühlmittels Qcm [L/min] des Kühlsystems 58 zum Regulieren der Stapeltemperatur Tfc des FC-Stapels 40 basierend darauf bestimmt, ob die Temperatur des FC-Stapels niedrig ist oder nicht und ob der FC-Stapel 40 der Festspannung/variables stöchiometrisches-Verhältnis-stromvariablen-Steuerung/Regelung (CWC-Steuerung) unterliegt oder nicht.
In der zweiten Ausführung wird die Kühlmittelströmungsrate Qcm grundlegend basierend auf den folgenden Bedingungen (1) bis (3) bestimmt.

(1) Die Drehzahl Nwp [UpM] der Wasserpumpe 80 zur Bestimmung der Kühlmittelströmungsrate Qcm [L/m] wird basierend auf der Drehzahl Nap [UpM] der Luftpumpe 60 bestimmt (s. 16). Wenn z.B. die Drehzahl Nap [UpM] der Luftpumpe 60 zunimmt, wird die Reaktion erleichtert, und die Temperatur des FC-Stapels 40 nimmt zu. Daher wird die Drehzahl Nwp [UpM] der Wasserpumpe 80 erhöht.
(2) Wenn die Temperatur Tfc des FC-Stapels 40 niedriger als die niedrige Temperaturbestimmungs-Schwellenwerttemperatur Tlth ist, d.h., wenn bestimmt wird, dass die Temperatur Tfc des FC-Stapels niedrig ist, wird die Kühlmittelströmungsrate Qcm gesenkt, wodurch eine Temperaturzunahme des FC-Stapels 40 erleichtert wird.
(3) Während der Festspannung/variables stöchiometrisches-Verhältnis-stromvariablen Steuerung/Regelung (CVVC-Steuerung) wird, im Vergleich zum Zustand während normaler Steuerung, die FC-Spannung Vfc in Bezug seinen gleichen Wert des FC-Stroms Ifc niedrig eingestellt. Somit wird der Verlust des FC-Stapels 40 erhöht, und die erzeugte Wärme wird groß. Daher wird die Kühlmittelströmungsrate Qcm erhöht, um zu verhindern, dass die Temperatur des FC-Stapels 40 zunimmt.

Dann wird in Schritt S71 von 21 in der gleichen Weise wie in Schritt S61 bestimmt, ob die Temperatur Tfc des FC-Stapels 40 niedrig ist oder nicht (ob die Temperatur des FC-Stapels 40 gleich oder kleiner als die niedrige Temperaturbestimmungs-Schwellentemperatur Tlth von z.B. 5[°C] oder 10[°C] ist oder nicht: Tfc ≤ Tlth).
Wenn bestimmt wird, dass die Temperatur Tfc des FC-Stapels 40 nicht niedrig ist (Schritt S71: NEIN, Tfc > Tlth), wird in Schritt S72 bestimmt, ob die Festspannung/variables stöchiometrisches-Verhältnis-stromvariable Steuerung/Regelung (CVVC-Steuerung) implementiert ist oder nicht.
Wenn die Temperatur Tfc des FC-Stapels 40 nicht niedrig ist (Tfc > Tlth), und die Festspannung/variables stöchiometrisches-Verhältnis-stromvariable Steuerung/Regelung (CVVC-Steuerung) implementiert ist, wird in Schritt S73 die Kühlmittelströmungsrate Qcm auf den Zustand ST1 gesetzt, wo die Kühlmittelströmungsrate Qcm im Kühlmittelströmungsratenkennfeld (Kühlmittelströmungsratentabelle) 192 in 27 am größten ist.
Wenn in der Bestimmung von Schritt S72 die Festspannung/variables stöchiometrisches-Verhältnis-stromvariable Steuerung/Regelung (CWC-Steuerung) nicht implementiert ist, d.h., wenn die normale Stromerzeugung implementiert in dem Zustand ist, wo die Temperatur Tfc des FC-Stapels 40 nicht niedrig ist (Tfc > Tlth), wird in Schritt S74 die Kühlmittelströmungsrate Qcm auf den Zustand ST2 gesetzt, wo die Kühlmittelströmungsrate Qcm im Kühlmittelströmungsratenkennfeld (Kühlmittelströmungsratentabelle) 192 in 27 am zweitgrößten ist.
Wenn in Schritt S71 bestimmt wird, dass die Temperatur Tfc des FC-Stapels 40 niedrig ist (Schritt S71: JA, Tfc ≤ Tlth), wird in Schritt S75 bestimmt, ob die Festspannung/variables stöchiometrisches-Verhältnis-stromvariable Steuerung/Regelung (CVVC-Steuerung) implementiert ist oder nicht.
Wenn die Temperatur Tfc des FC-Stapels 40 niedrig ist (Tfc ≤ Tlth), und die Festspannung/variables stöchiometrisches-Verhältnis-stromvariable Steuerung/Regelung (CVVC-Steuerung) implementiert ist, wird in Schritt S76 die Kühlmittelströmungsrate Qcm auf den Zustand ST3 gesetzt, wo die Kühlmittelströmungsrate Qcm im Kühlmittelströmungsratenkennfeld (Kühlmittelströmungsratentabelle) 192 in 27 am zweitkleinsten ist.
Wenn in der Bestimmung von Schritt S75 die Festspannung/variables stöchiometrisches-Verhältnis-stromvariable Steuerung/Regelung (CWC-Steuerung) nicht implementiert ist, d.h., wenn der FC-Stapel 40 in der Mitte der normalen Stromerzeugung in dem Zustand ist, wo die Temperatur Tfc des FC-Stapels 40 niedrig ist (Tfc ≤ Tlth), wird in Schritt S77 die Kühlmittelströmungsrate Qcm auf den Zustand ST4 gesetzt, wo die Kühlmittelströmungsrate Qcm in dem Kühlmittelströmungsratenkennfeld (Kühlmittelströmungsratentabelle) 192 in 27 am kleinsten ist.
[Zusammenfassung der zweiten Ausführung]
Wenn in der oben beschriebenen zweiten Ausführung in Schritt S61 die Temperatur Tfc des FC-Stapels 40 die Schwellenwerttemperatur Tlth oder weniger hat, d.h., wenn die Temperatur Tfc des FC-Stapels niedriger ist, fixiert die ECU 24, um die elektrische Regenerativleistung Preg in den Schritten S66 bis S69 vollständig zu erhalten (vollständig zu sammeln), die Soll-FC-Spannung Vfctgt des FC-Stapels 40 auf die untere Grenzspannung v2 oder weniger außerhalb des Redox-Ablaufspannungsbereichs des FC-STapels 40 (in der zweiten Ausführung ist die Soll-FC-Spannung Vfctgt auf v2 fixiert), um die Festspannung/variables stöchiometrisches-Verhältnis-stromvariable Steuerung/Regelung (CVVC-Steuerung) zu implementieren. Da die Soll-FC-Spannung Vfctgt auf die untere Grenzspannung v2 fixiert ist, wird der Wärmeverlust des FC-Stapels 40 erhöht, und dementsprechend wird das Aufwärmen des FC-Stapels 40 erleichtert.
Um den FC-Stapel 40 noch effizienter aufzuwärmen, senkt in Schritt S71 bevorzugt die ECU 24 die Kühlmittelströmungsrate Qcm auf den Zustand ST3, während der Implementierung der Festspannung/variables stöchiometrisches-Verhältnis-stromvariablen Steuerung/Regelung (CWC-Steuerung), wenn die Temperatur Tfc des FC-Stapels 40 die niedrige Temperaturbestimmungsschwellentemperatur Tlth oder niedriger ist, d.h., die Temperatur Tfc des FC-Stapels niedrig ist.
28 ist ein Zeitdiagramm für den Fall, wo bestimmt wird, dass der Motor 14 zur Zeit t21 elektrische Energie bei niedriger Temperatur regeneriert.
In 28 zeigen, in dem Abschnitt des Zeitdiagramms, der unterhalb des Diagramms der Kühlmittelströmungsrate Qcm [L/min] gezeigt ist, die dicken unterbrochenen LinienÄnderungscharakteristiken im Vergleichsbeispiel, und die dicken durchgehenden Linien bezeichnen Änderungscharakteristiken in dieser zweiten Ausführung.
Wenn zur Zeit t21 die Verzögerung der Geschwindigkeit Vs beginnt, beginnt der Motor 14 mit der Regeneration von elektrischer Energie. Da in dem gesamten Zeitbereich einschließlich der Zeit t21 bestimmt wird, dass die Temperatur Tfc des FC-Stapels 40 die niedrige Temperaturbestimmungsschwellentemperatur Tlth oder niedriger ist, wird nach der Zeit t21 die Soll-FC-Spannung Vfctgt des FC-Stapels 40 auf die untere Grenzspannung v2 außerhalb des Redox-Ablaufspannungsbereichs fixiert, und es wird die Festspannung/variables stöchiometrisches-Verhältnis-stromvariable Steuerung/Regelung (CWC-Steuerung) implementiert, um den Wärmeverlust zu verursachen und die elektrische FC-Leistung Pfc zu verringern. Dann wird die elektrische Regenerativleistung Preg als die in die Batterie ladbare elektrische Leistung Pbchg zum Laden zugeführt.
Ferner wird nach der Zeit t21 die Kühlmittelströmungsrate Qcm auf den Zustand ST3 abgesenkt.
Daher ist es während Regeneration von elektrischer Energie bei niedriger Temperatur nach der Zeit t21 möglich, die Temperatur Tfc des FC-Stapels 40 zu erhöhen.
[Dritte Ausführung]
29 zeigt in einem Diagramm schematisch die Struktur der FC-Einheit 18 gemäß einer dritten Ausführung. In der FC-Einheit 18 gemäß der dritten Ausführung ist in dem Kathodensystem 56a ein Zirkulationsventil (Kathodenzirkulationsventil) 66 enthalten, zusätzlich zu der Luftpumpe 60, dem Befeuchter 62 und dem Gegendruckventil 64.
In diesem Fall sind das Rohr 66a, das Zirkulationsventil 66 und das Rohr 66b zwischen dem Rohr 64b an der Ausgangsseite des Gegendruckventils 64 und dem Rohr 60a an der Lufteinlassseite (Eingangsseite) angeschlossen. Somit wird ein Teil des Abgases (Kathodenabgas) als Zirkulationsgas dem Rohr 60a durch das Rohr 66a, das Zirkulationsventil 66 und dem Rohr 66b zugeführt. Das Abgas wird mit Frischluft von der Fahrzeugaußenseite vermischt und in die Luftpumpe 60 gesaugt.
Zum Beispiel ist das Zirkulationsventil 66 ein Klappenventil, und der Öffnungsgrad des Klappenventils (nachfolgend als „Zirkulationsventilöffnungsgrad θc“ oder „Öffnungsgrad θc“ bezeichnet) wird durch die ECU 24 gesteuert, um die Strömungsrate des Zirkulationsgases zu reduzieren. Ein Strömungsratensensor 70 wird mit dem Rohr 66b verbunden und der Steurungsratensensor 70 erfasst die Strömungsrate Qc [g/s] des zum Rohr 60 abfließenden Zirkulationsgases und gibt die erfasste Strömungsrate an die ECU 24 aus.
Wie mit der Charakteristik 167 in 30 gezeigt, nimmt, mit zunehmendem Zirkulationsventilöffnungsgrad θc des Zirkulationsventils 66, damit das Abgas durch das Zirkulationsventil 66 fließen kann, die Sauerstoffkonzentration Co im Kathodenkanal 74 ab.
Hierbei wird in der dritten Ausführung während der Regeneration von elektrischer Energie durch den Motor 14 in dem Zustand, wo die FC-Spannung Vfc des FC-Stapels 40 innerhalb eines vorbestimmten Spannungsbereichs (Spannung innerhalb des stabilen Oxidationsbereichs R4 zwischen v3 und v4) außerhalb des Redoxablaufspannungsbereichs (Redoxablaufbereichs R3) des FC-Stapels 40 durch den DC/DC-Wandler 22 fixiert ist (z.B. unter der Modus-E-Steuerung, wo die FC-Spannung Vfc auf v3 oder Vlmi2 fixiert ist (Vfc = ve oder Vfc = Vlmi2), wenn die Sollsauerstoffkonzentration Cotgt geändert wird, nur der Öffnungsgrad θc des Zirkulationsventils 66 geändert, wodurch der FC-Strom Ifc variabel gemacht wird.
Auf diese Weise wird in dem Zustand, wo die Spannung außerhalb des Redoxablaufspannungsbereichs (Redoxablaufbereichs R3) des FC-Stapels 40 durch den DC/DC-Wandler 22 oder im Direktverbindungszustand des DC/DC-Wandlers 22 fixiert ist, der Öffnungsgrad θc des Zirkulationsventils 66 geändert, um die von dem FC-Stapel 40 ausgegebene elektrische Leistung zu verringern. Auf diese Weise wird eine Verschlechterung des FC-Stapels 40 unterdrückt (siehe 8), und in dem Zustand, wo die Verschlechterung unterdrückt wird, wird die durch Regulation erhaltende regenerative elektrische Leistung Preg in der Batterie 20 gesammelt. Somit kann durch Verringern der durch den FC-Stapel 40 ausgegebene elektrische Leistung die elektrische regenerative Leistung Preg effizient gesammelt werden. Daher wird eine Verbesserung im Wirkungsgrad beim Sammeln der elektrischen Regenerativleistung Preg (Regenerationseffizienz) erreicht, und eine Verschlechterung des FC-Stapels 40 unterdrückt.
Auch in diesem Fall wird die vorbestimmte Spannung außerhalb des Redox-Ablaufspannungsbereichs (Redox-Ablaufbereichs R3) des FC-Stapels 40 auf eine hohe Spannung gesetzt, die höher ist als die obere Grenzspannung v3 des Redox-Ablaufspannungsbereichs, und niedriger als die untere Grenzspannung v4 des Kohlenstoffoxidations-Ablaufbereichs R5 (d.h., zwischen v3 und v4). Somit wird die Motorspannung Vm des Motors 14 während Regeneration von elektrischer Energie hoch, und dann wird eine weitere Verbesserung in dem Regenerationswirkungsgrad mit Unterdrückung einer Verschlechterung der Brennstoffzelle erreicht.
Wenn die vorbestimmte Spannung außerhalb des Redox-Ablaufspannungsbereichs (Redox-Ablaufbereichs R3) des FC-Stapels 40 auf die Spannung Vlmi2 gesetzt wird (s. 8), wo die Verschlechterung des FC-Stapels 40 gering ist, wird innerhalb eines hohen Spannungsbereichs, der die obere Grenzspannung v3 des Redox-Ablaufspannungsbereichs (Redox-Ablaufbereichs R3) überschreitet (v3 < Vcell < v4) die Unterdrückung der Verschlechterung maximiert (die fortschreitende Verschlechterung wird minimiert).
D.h., in der dritten Ausführung wird beim Implementieren der Regenerationssteuerung, anders als in der ersten Ausführung, ohne die Drehzahl Nap der Luftpumpe 60 und den Öffnungsgrad θbp des Gegendruckventils 64 zu verändern, nur der Öffnungsgrad θc des Zirkulationsventils 66 geändert, um hierdurch den FC-Strom Ifc zu ändern. Daher kann die Steuerung vorteilhaft vereinfacht werden.
[Modifizierte Beispiele]
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführung und das obige modifizierte Beispiels davon beschränkt. Die Erfindung kann basierend auf dieser Beschreibung verschiedene Strukturen anwenden. Zum Beispiel kann die folgende Struktur verwendet werden.
Obwohl das FC-System 12 im FC-Fahrzeug 10 angebracht ist, ist die vorliegende Erfindung in dieser Hinsicht nicht eingeschränkt. Das FC-System kann auch in anderen Objekten angebracht werden. Zum Beispiel kann das FC-System in beweglichen Objekten wie etwa Schiffen oder Flugzeugen angewendet werden. Alternativ kann das FC-System 12 in Haushaltsstromsystemen angewendet werden.
In den obigen Ausführungen sind der FC-Stapel 40 und die Batterie 20 parallel angeordnet, und der DC/DC-Wandler 22 ist in der Nähe der Batterie 20 vorgesehen. Jedoch ist die vorliegende Erfindung in dieser Hinsicht nicht eingeschränkt. Zum Beispiel können, wie in 31 gezeigt, der FC-Stapel 40 und die Batterie 20 parallel vorgesehen sein, und es kann ein Hochstuf-, ein Herabstuf-, oder ein Hochstuf-Herabstuf-DC/DC-Wandler 22 in der Nähe des FC-Stapels 40 vorgesehen sein. Alternativ können, wie in 32 gezeigt, der FC-Stapel 40 und die Batterie 20 parallel vorgesehen sein, und der DC/DC-Wandler 160 kann in der Nähe des FC-Stapels 40 vorgesehen sein, und der DC/DC-Wandler 22 kann in der Nähe der Batterie 20 vorgesehen sein. Alternativ können, wie in 33 gezeigt, der FC-Stapel 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 den obigen Ausführungen wird eine Einheit oder ein Verfahren zum Einstellen des stöchiometrischen Verhältnisses durch Einstellen der Sollsauerstoffkonzentration Cotgt realisiert. Jedoch ist die vorliegende Ausführung in dieser Hinsicht nicht eingeschränkt. Alternativ kann auch die Sollwasserstoffkonzentration eingestellt werden. Ferner kann, anstelle der Sollkonzentration, die Sollströmungsrate, oder sowohl die Sollkonzentration als auch die Sollströmungsrate eingestellt werden.
In den oben beschriebenen Ausführungen ist eine Struktur dargestellt, die die Luftpumpe 60 zum Zuführen von sauerstoffhaltiger Luft enthält. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Struktur verwendet werden, die eine Wasserstoffpumpe zu Zuführen von Wasserstoff enthält.
Es wird ein Brennstoffzellenfahrzeug (10) angegeben. Die Spannung einer Brennstoffzelle (40) wird durch einen DC/DC-Wandler 22 auf eine Spannung außerhalb eines Redox-Ablaufspannungsbereichs der Brennstoffzelle (40) festgelegt. In diesem Zustand wird die Sauerstoffkonzentration oder Wasserstoffkonzentration durch eine Gasversorgungseinheit (44, 60) verringert, und die von der Brennstoffzelle (40) ausgegebene elektrische Leistung wird verringert. In diesem Zustand wird durch Regeneration erzeugte elektrische Regenerativenergie in einer Batterie (20) gesammelt.

Claims

Brennstoffzellenfahrzeug (10) umfassend: eine Brennstoffzelle (40) zum Durchführen von Stromerzeugung durch katalytisches Induzieren einer Reaktion eines ersten sauerstoffhaltigen Gases und eines zweiten wasserstoffhaltigen Gases, die der Brennstoffzelle (40) zugeführt werden; Gasversorgungseinheiten (44, 60) zum Zuführen des ersten Gases und des zweiten Gases zu der Brennstoffzelle (40); einen Spannungsregler (22) zum Regulieren der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (40); einen Antriebsmotor (14) als Last, die durch von der Brennstoffzelle (40) ausgegebene elektrische Energie angetrieben wird; eine Energiespeichervorrichtung (20) zum Speichern von durch den Antriebsmotor (14) regenerierter elektrischer Energie; und eine Steuereinheit (24) zum Steuern/Regeln der Brennstoffzelle (40), der Gasversorgungseinheiten (44, 60), des Spannungsreglers (22), des Antriebsmotors (14) und der Energiespeichervorrichtung (20), worin während der Regeneration von elektrischer Energie durch den Antriebsmotor (14) die Steuereinheit (24) den Spannungsregler (22) steuert/regelt, um die Spannung der Brennstoffzelle (40) auf einer vorbestimmten Spannung außerhalb eines Oxidation-Reduktion-Ablaufspannungsbereichs der Brennstoffzelle (40) festzulegen, wo Oxidation-Reduktion stattfindet, während die Gasversorgungseinheiten (44, 60) gesteuert/geregelt werden, um die Sauerstoffkonzentration oder Wasserstoffkonzentration zu verringern, um hierdurch die von der Brennstoffzelle (40) ausgegebene elektrische Leistung zu verringern.
Brennstoffzellenfahrzeug nach Anspruch 1, worin der Spannungsregler (22) ausgebildet ist, um die vorbestimmte Spannung außerhalb des Oxidation-Reduktions-Ablaufspannungsbereichs der Brennstoffzelle (40) auf eine Spannung zu setzen, die eine obere Grenzspannung des Oxidation-Reduktion-Ablaufspannungsbereichs überschreitet.
Das Brennstoffzellenfahrzeug nach Anspruch 1, das ferner einen Temperatursensor (72) zum Erfassen der Temperatur der Brennstoffzelle (40) aufweist, worin, wenn die Steuereinheit (24) bestimmt, dass die vom Temperatursensor (72) erfasste Temperatur der Brennstoffzelle (40) eine Schwellenwerttemperatur oder niedriger ist, die Steuereinheit (24) die vorbestimmte Spannung außerhalb des Oxidation-Reduktions-Ablaufspannungsbereichs der Brennstoffzelle (40) auf eine Spannung setzt, die niedriger ist als eine untere Grenzspannung des Oxidation-Reduktion-Ablauf-Spannungsbereichs.
Das Brennstoffzellenfahrzeug nach Anspruch 3, das ferner eine Kühleinheit (58) zum Kühlen der Brennstoffzelle (40) mit einem Kühlmittel aufweist, worin, wenn die Steuereinheit (24) bestimmt, dass die vom Temperatursensor (72) erfasste Temperatur der Brennstoffzelle (40) die Schwellenwerttemperatur oder niedriger ist, die Steuereinheit (24) die Kühleinheit (58) ansteuert/regelt, um die Strömungsrate des Kühlmittels zu verringern.