DE102013220847A1 - System und Verfahren zum Notstarten eines Brennstoffzellenfahrzeugs - Google Patents

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Abstract

Es ist ein System und Verfahren zum Notstarten eines Brennstoffzellenfahrzeugs bereitgestellt. Insbesondere sind ein Hochspannungswandler, eine Leistungsausgleichsvorrichtung (BOP) und eine Steuerung in dem System umfasst. Der Hochspannungswandler ist eingerichtet, so dass eine Seite davon mit einer Hochspannungsbatterie über einen Batterieschalter verbunden ist, und die andere Seite davon mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen parallel geschaltet ist. Die BOP ist zu dem Spannungswandler und den Brennstoffzellen parallel geschaltet. Die Steuerung ist eingerichtet, um die Leistung, die von der Hochspannungsbatterie an die BOP ohne Umwandlung zugeführt wird, durch Verbinden des Batterieschalters auf eine Fehlfunktion des Spannungswandlers oder der Hochspannungsbatterie zu steuern/regeln.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen ein System und Verfahren für das Notstarten eines Brennstoffzellenfahrzeugs, wobei, wenn sich Brennstoffzellen in einem Nicht-Erzeugungszustand befinden und gleichzeitig eine Hochspannungsbatterie während eines normalen Betriebs ausfällt, das Brennstoffzellenfahrzeug in einen Notfall-Brennstoffzellen-Erzeugungsmodus eintritt, um zu erzwingen, dass die Brennstoffzellen anstatt der ausgefallenen Hochspannungsbatterie betrieben werden.
  • 2. Beschreibung des Standes Technik
  • In einem Brennstoffzellenfahrzeug sollte sich, insbesondere bei einem System unter Verwendung von Brennstoffzellen als eine Hauptantriebsquelle, eine Brennstoffbatterie in einem normalen Erzeugungszustand befinden, um zu gewährleisten, dass das Fahrzeug richtig funktioniert. Jedoch gibt es in manchen Brennstoffzellenfahrzeugen Situationen, in denen Leistung an eine Fahrzeuglast nur unter Verwendung einer Hochspannungsbatterie zugeführt werden muss (z. B. im Leerlauf, während des Startens und in einem Notfall-Elektrofahrzeug-(Electric Vehicle – EV)Modus-Betrieb), in welchem Fall es, falls die Hochspannungsbatterie nicht wie vorgesehen funktioniert, unmöglich ist, dass das Fahrzeug gestartet oder betrieben wird.
  • Darüber hinaus, wenn das Starten des Brennstoffzellenfahrzeugs unter Verwendung einer Hochspannungsbatterie fehlschlägt, stellen einige Systeme Notstart-Systeme bereit, die mithilfe eines Stromrichters, der eine niedrige Spannung (z. B. 12 V) in eine höhere Spannung umwandelt, betrieben werden. Demzufolge ist ein Niederspanungs-DC-DC-Wandler (low voltage DC-DC converter – LDC) erforderlich, um eine hohe Spannung in eine niedrige Spannung umzuwandeln und um dann die Batterie bei z. B. 12 V zu laden. Um diese Art von Technologie anzuwenden, entstehen insofern Probleme, dass der LDC in einer bidirektionalen Art und Weise ausgelegt werden muss, so dass er eine niedrige Spannung in eine hohe Spannung umwandeln kann, und eine separate Energieumwandlungsvorrichtung, die für diesen Notstart geeignet ist, erforderlich ist. Zusätzlich müssen Hochspannungsschaltungen in dem Fahrzeug umkonstruiert werden, um dieses System aufzunehmen.
  • Die obige Beschreibung der Hintergrundtechnologie ist lediglich dazu gedacht, ein Verständnis des Hintergrundes der vorliegenden Erfindung zu verbessern, aber sollte nicht derart ausgelegt werden, dass anerkannt wird, dass die oberhalb beschriebenen Technologien herkömmlichen Technologien entsprechen, die einem Durchschnittsfachmann in dem technischen Feld, zu welchem die vorliegende Erfindung gehört, bekannt sind.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Demzufolge ist die vorliegende Erfindung unter Berücksichtigung der obigen Probleme, die im Stand der Technik auftreten, gemacht worden, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System und Verfahren für das Notstarten eines Brennstoffzellenfahrzeugs bereitzustellen, wobei, wenn sich Brennstoffzellen in einem Nicht-Erzeugungszustand befinden und gleichzeitig eine Hochspannungsbatterie ausfällt, ein Notfall-Brennstoffzellen-Erzeugungsmodus eingeleitet wird, so dass das Fahrzeug in einem Nur-Brennstoffzellen-Zustand gestartet und betrieben werden kann.
  • Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird ein System zum Notstarten eines Brennstoffzellenfahrzeugs bereitgestellt, umfassend einen Hochspannungswandler, der eingerichtet ist, so dass eine Seite davon mit einer Hochspannungsbatterie über einen Batterieschalter verbunden ist, und eingerichtet ist, um eine höhere Spannung in eine niedrigere Spannung umzuwandeln. Die andere Seite des Hochspannungswandlers ist zu Brennstoffzellen parallel geschaltet. Zusätzlich ist eine Leistungsausgleichsvorrichtung (balance of power – BOP) (z. B. ein Gebläse) zu dem Hochspannungswandler und den Brennstoffzellen parallel geschaltet, und eine Steuerung ist eingerichtet, um die Leistung von der Hochspannungsbatterie, die an die BOP ohne Umwandlung zugeführt wird, durch Verbinden des Batterieschalters auf ein Erfassen einer Fehlfunktion des Hochspannungswandlers oder der Hochspannungsbatterie zu steuern beziehungsweise zu regeln. Darüber hinaus kann die Steuerung ebenfalls eingerichtet sein, um die Drehzahl (revolutions per minute – RPM) des Gebläses proportional zu der Spannung einer Hochspannungsbatterie, die an dem Gebläse angelegt wird, zu steuern beziehungsweise zu regeln.
  • Zum Beispiel, wenn der Hochspannungswandler oder die Hochspannungsbatterie während eines Leerlauf-Stopps der Brennstoffzellen ausfällt, kann die Steuerung die Verbindung des Batterieschalters beibehalten, den Betrieb des Hochspannungswandlers stoppen und den Leerlauf-Stopp freigeben, wodurch eine Steuerung derart durchgeführt wird, so dass die Leistung der Hochspannungsbatterie an die BOP ohne Umwandlung zugeführt wird. Ferner, sobald die Fahrzeug-Brennstoffzellen arbeiten, kann die Steuerung die Verbindung des Batterieschalters lösen und das Fahrzeug kann dann ausschließlich in einem Brennstoffzellenmodus betrieben werden, der nicht auf die Leistung von einer Hochspannungs-Stromquelle (wie eine Batterie) angewiesen ist.
  • Bevor das Starten der Brennstoffzellen beendet ist, kann die Steuerung eingerichtet sein, um andere Hilfseinheiten als die BOP nicht zu betreiben.
  • Wenn der Hochspannungswandler oder die Hochspannungsbatterie während des Startens ausfällt, kann die Steuerung eingerichtet sein, um eine Verbindung des Batterieschalters beizubehalten, den Betrieb des Hochspannungswandlers zu stoppen und den Startprozess weiterzuführen, wodurch eine Steuerung derart durchgeführt wird, so dass die Leistung der Hochspannungsbatterie noch an die BOP ohne Umwandlung zugeführt wird.
  • In einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wenn der Hochspannungswandler wie vorgesehen arbeitet, stoppt die Steuerung den Betrieb des Hochspannungswandlers nicht und führt eine Steuerung derart durch, so dass der Hochspannungswandler eine Ausgangsspannung aufweist, die gleich einer Leerlaufspannung (open-circuit voltage – OCV) der Brennstoffzellen ist.
  • Zusätzlich kann in einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wenn der Hochspannungswandler oder die Hochspannungsbatterie während eines Fahrens im EV-Modus ausfällt, die Steuerung die Verbindung des Batterieschalters beibehalten, die Spannung der Brennstoffzellen durch Ausführen eines Prozesses zum Stoppen der Erzeugung der Brennstoffzellen unterbinden und die BOP betreiben.
  • Auch wenn die Hochspannungsbatterie während eines Betriebs im EV-Modus ausfällt, kann die Steuerung eine Verbindung über den Batterieschalter beibehalten, eine Ausgangsspannung des Hochspannungswandlers auf eine OCV der Brennstoffzellen einstellen und dann die BOP demzufolge betreiben.
  • Weiter noch kann in einigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wenn ein SOC (state of charge – Ladezustand) der Hochspannungsbatterie niedriger als ein voreingestellter minimaler SOC während eines Betriebs im EV-Modus ist, die Steuerung ebenfalls eingerichtet sein, um eine Verbindung über den Batterieschalter beizubehalten, eine Ausgangsspannung des Hochspannungswandlers auf eine OCV der Brennstoffzellen einstellen und dann die BOP betreiben.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Notstarten eines Brennstoffzellenfahrzeugs bereitgestellt, umfassend ein Bestimmen, durch die Steuerung, ob ein Hochspannungswandler oder eine Hochspannungsbatterie ausgefallen ist; Verbinden eines Batterieschalters zwischen dem Hochspannungswandler und der Hochspannungsbatterie, wenn bestimmt wird, dass der Hochspannungswandler oder die Hochspannungsbatterie ausgefallen ist; Stoppen, durch die Steuerung, eines Betriebs des Hochspannungswandlers; und Zuführen von Leistung von der Hochspannungsbatterie an die BOP ohne Umwandlung.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die obigen und weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlicher. In der Zeichnung zeigen:
  • 1 ein Diagramm, das den Aufbau eines Systems für das Notstarten eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt; und
  • 2 bis 4 Flussdiagramme, die ein System und Verfahren für das Notstarten eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellen.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Es wird nun Bezug genommen auf die Zeichnungen, in denen die gleichen Bezugszeichen verwendet werden, um die gleichen oder ähnlichen Komponenten zu bezeichnen.
  • Es ist zu beachten, dass der Ausdruck ”Fahrzeug” oder ”Fahrzeug-” oder andere gleichlautende Ausdrücke wie sie hierin verwendet werden, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen wie z. B. Personenkraftwagen einschließlich Sports Utility Vehicles (SUV), Busse, Lastwägen, verschiedene Nutzungsfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, einschließlich einer Vielfalt von Booten und Schiffen, Luftfahrzeugen und dergleichen einschließen, und Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-In-Hybridelektrofahrzeuge, Wasserstoffangetriebene Fahrzeuge und andere Fahrzeuge mit alternativen Kraftstoff umfassen (beispielsweise Kraftstoff, der von anderen Quellen als Erdöl gewonnen wird). Wie hierin Bezug genommen wird, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, das zwei oder mehr Antriebsquellen aufweist, wie zum Beispiel sowohl benzinbetriebene als auch elektrisch angetriebene Fahrzeuge.
  • Zusätzlich versteht es sich, dass die unten beschriebenen Verfahren/Prozesse durch zumindest eine Steuerung ausgeführt werden. Der Ausdruck Steuerung bezieht sich auf eine Hardware-Vorrichtung, die einen Speicher und einen Prozessor umfasst, die eingerichtet ist, um einen oder mehrere Schritte auszuführen, die als ihre algorithmische Struktur interpretiert werden sollten. Der Speicher ist eingerichtet, um algorithmische Schritte zu speichern, und der Prozessor ist insbesondere eingerichtet, um die besagten algorithmischen Schritte auszuführen, um einen oder mehrere Prozesse durchzuführen, die weiter unten beschrieben werden.
  • Darüber hinaus kann die Steuerlogik der vorliegenden Erfindung als nichtflüchtige computerlesbare Medien auf einem computerlesbaren Medium ausgeführt werden, das ablauffähige Programmbefehle umfasst, die durch einen Prozessor, eine Steuerung oder dergleichen ausgeführt werden. Beispiele von computerlesbaren Speichermedien umfassen in nicht einschränkender Weise ROM, RAM, Compact-Disc(CD)-ROMs, Magnetbänder, Floppydisks, Flash-Laufwerke, Smart Cards und optische Datenspeichervorrichtungen. Das computerlesbare Aufzeichnungsmedium kann ebenfalls in netzgekoppelten Computersystemen dezentral angeordnet sein, so dass das computerlesbare Medium in einer verteilten Art und Weise gespeichert und ausgeführt wird, z. B. durch einen Telematik-Server oder ein Controller Area Network (CAN).
  • Die hierin verwendete Terminologie ist zum Zwecke der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen vorgesehen und ist nicht dazu bestimmt, die Erfindung einzuschränken. Wie hierin verwendet, sind die Singularformen ”ein”, ”eine/einer” und ”der/die/das” dazu vorgesehen, dass sie ebenso die Pluralformen umfassen, wenn aus dem Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes hervorgeht. Es versteht sich ferner, dass die Ausdrücke ”aufweisen” und/oder ”aufweisend”, wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, die Anwesenheit der angegebenen Merkmale, Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Komponenten beschreiben, aber nicht das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einen oder mehreren Merkmalen, Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließen. Wie hierin verwendet, umfasst der Ausdruck ”und/oder” jede und sämtliche Kombinationen von einem oder mehreren der zugeordneten aufgeführten Elemente.
  • Ein System und Verfahren für den Notstarteines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben.
  • 1 zeigt ein Diagramm, das den Aufbau eines Systems für das Notstarten eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt, und 2 bis 4 zeigen Flussdiagramme, die ein System und Verfahren für das Notstarten eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellen.
  • Das System für das Notstarten eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst einen Hochspannungswandler 300, der eingerichtet ist, so dass eine Seite davon mit einer Hochspannungsbatterie 200 über einen Batterieschalter 220 verbunden ist, und die andere Seite davon zu den Brennstoffzellen 100 parallel geschaltet ist. Zusätzlich ist eine BOP 500 zu dem Hochspannungswandler 300 und den Brennstoffzellen 100 parallel geschaltet, und eine Steuerung 400 ist eingerichtet, um den Batterieschalter 220 zu steuern, so dass Leistung von der Hochspannungsbatterie 200 an die BOP 500 ohne Umwandlung der Spannung von der Batterie auf eine niedrigere Spannung durch Betätigen des Batterieschalters 220 nach einer Fehlfunktion des Hochspannungswandlers 300 oder der Hochspannungsbatterie 200 zugeführt werden kann.
  • 1 stellt ein schematisches Schaltbild des Systems für das Notstarten eines Brennstoffzellenfahrzeugs dar. Die Brennstoffzellen 100, der Hochspannungswandler 300, ein Wechselrichter, eine Hochspannungskomponente und einer Niederspannungswandler sind alle parallel geschaltet. Darüber hinaus ist die Hochspannungsbatterie 200 mit dem Hochspannungswandler 300 verbunden. Während einer Startsequenz wird die Hochspannungsbatterie 200 verbunden (d. h., der Batterieschalter 220 wird verbunden, nachdem die Spannung des Haupt-Busanschlusses über einen Widerstand durch den Betrieb eines Relais vorgeladen worden ist), ein Verstärken auf eine höhere Spannung (z. B. nahe der OCV der Brennstoffzellen) wird über den Hochspannungswandler 300 durchgeführt, ein Brennstoffzellen-Relais wird verbunden und die Spannung der Brennstoffzellen 100 wird durch Betreiben der BOP erhöht, wodurch das Fahrzeug gestartet wird. Es ist ersichtlich, dass die Verbindung des Batterieschalters 220 ein Beibehalten einer Verbindung umfasst, wenn der Batterieschalter 220 vor der Durchführung dieser Steuerung verbunden worden ist.
  • Der BOP 50, der verwendet wird, um die Spannung der Brennstoffzellen zum Erzeugen von Leistung zu erhöhen, umfasst ein Gebläse, ein Wasserstoffversorgungsventil, eine Kühlmittelpumpe usw. Das Gebläse und die Kühlmittelpumpe stellen Einheiten dar, die unter Verwendung einer hohen Spannung (z. B. etwa 100 V bis 450 V) betrieben werden, und das Gebläse sollte im Wesentlichen so betrieben werden, um die von den Brennstoffzellen abgegebene Spannung zu erhöhen. Dementsprechend ist es zum Durchführen eines Startvorganges notwendig, die Hochspannung über die Batterie aufrechtzuerhalten, und der normale Betrieb des Hochspannungswandlers 300 und der Hochspannungsbatterie 200 sollten gewährleistet werden.
  • Getrennt davon, um die Kraftstoffeffizienz zu erhöhen und um einen Zustand des Stapels mit einer geringen Befeuchtung zu verhindern, ist ein Brennstoffzellen-Leerlauf-Stopp-Antrieb in einem Intervall mit geringer Leistung während des Fahrens erforderlich, in welchem Fall die Brennstoffzellen keine Energie erzeugen, weil das Gebläse der Brennstoffzellen gestoppt worden ist und lediglich die Hochspannungsbatterie 200 die Fahrzeuglast mit Energie versorgt.
  • Wenn ein ernsthaftes Problem in einem Brennstoffzellensystem auftritt, kann die Erzeugung der Brennstoffzellen gestoppt werden und das Fahrzeug kann in einem Notfall-EV-Modus laufen, in dem das Fahrzeug nur unter Verwendung der Hochspannungsbatterie 200 betrieben wird. Selbst in diesem Fall, um das Fahrzeug mit begrenzter Leistung zu betreiben, muss der normale Betrieb der Hochspannungsbatterie 200 und des Hochspannungswandlers 300 sichergestellt werden.
  • In einem Fahrzustand, in dem der normale Betrieb des Hochspannungswandlers 300 und der Hochspannungsbatterie 200 erforderlich sind, wenn ein entsprechendes Teil ausfällt oder dessen Betrieb unmöglich ist, ist es notwendig, zu bewirken, dass das Brennstoffzellensystem zwangsweise in einen Notfall-Modus eintritt und einen Betrieb ausschließlich in einem Brennstoffzellen-Modus durchführt, um zu ermöglichen, dass das Fahrzeug zumindest bis zur nächsten Reparaturwerkstatt betrieben werden kann.
  • Zu diesem Zweck ist der Hochspannungswandler 300 eingerichtet, so dass eine Seite davon mit der Hochspannungsbatterie 200 über den Batterieschalter 220 verbunden ist, und die andere Seite davon zu den Brennstoffzellen 100 parallel geschaltet ist, und die BOP 500 ist zu dem Hochspannungswandler 300 und den Brennstoffzellen 100 parallel geschaltet. Darüber hinaus führt die Steuerung 400 eine Verbindung des Batterieschalters 220 durch, wenn der Hochspannungswandler 300 oder die Hochspannungsbatterie 200 ausfällt, wodurch ermöglicht wird, dass die Leistung an die BOP 500 ohne Umwandeln der Spannung der Hochspannungsbatterie 200 zugeführt wird. Darüber hinaus kann ein Element der BOP 500, das für das Starten der Brennstoffzellen wesentlich ist, das Gebläse sein.
  • Das heißt, wenn der Hochspannungswandler 300 oder die Hochspannungsbatterie 200 ausfällt, wird der Batterieschalter verbunden, so dass die Batteriespannung direkt mit dem Gebläse über einen L1-Pfad verbunden werden kann. In Abhängigkeit von dem Erzeugungszustand der Brennstoffzellen kann das Gebläse unter Verwendung der Spannung von den Brennstoffzellen (ein L2-Pfad) betrieben werden, falls die Spannung der Brennstoffzellen höher als die Batteriespannung ist, und das Gebläse kann unter Verwendung der Batteriespannung (ein L1-Pfad) betrieben werden, falls die Spannung der Brennstoffzellen niedriger als die Batteriespannung ist.
  • In diesem Fall führt das Gebläse eine spannungsbasierte Unterlaststeuerung durch. Das heißt, die Steuerung 400 kann die Drehzahl (RPM) des Gebläses proportional zu der Spannung der Hochspannungsbatterie 200 in so einer Weise steuern/regeln, um die RPM zu erhöhen, wenn die an das Gebläse angelegte Spannung über einem Schwellenwert liegt, und die RPM verringern, wenn sich die Spannung unter dem Schwellenwert befindet.
  • Das heißt, um die Erzeugung des Brennstoffzellensystems zu ermöglichen, wird das Gebläse, das heißt, das wesentliche Element der BOP, direkt über den Batterieschalter 220 der Hochspannungsbatterie betrieben werden, oder das Gebläse wird unter Verwendung der Leistung der Brennstoffzellen in Abhängigkeit von dem Zustand der Erzeugung der Brennstoffzellen betrieben. In diesem Fall, da das Gebläse bei einer Spannung unterhalb eines normalen Spannungsbereichs (zum Beispiel in einem Bereich von 250 bis 450 V) betrieben werden sollte, wird die RPM des Gebläses auf einen minimalen Wert reduziert, falls sich die Spannung unterhalb des Schwellenwerts befindet (zum Beispiel einem Minimum von 100 V), und das Gebläse wird innerhalb eines Spannungsbereichs, der ermöglicht, dass die Brennstoffzellen gestartet werden können, langsam betrieben. In diesem Fall, selbst wenn ein Problem mit der Hochspannungsbatterie auftritt, wird der Batterieschalter für eine bestimmte Zeitdauer eingeschaltet gehalten.
  • Genauer gesagt stellt 2 dar, was passiert, wenn sich das Fahrzeug im ”Leerlauf” während des Betriebs der Brennstoffzellen befindet. In diesem Fall hält auf eine Fehlfunktion des Hochspannungswandlers oder der Hochspannungsbatterie während eines Leerlauf-Stopps die Steuerung eine Verbindung mit den Betriebskomponenten über einen Betätigung des Batterieschalters bei, stoppt den Betrieb des Hochspannungswandlers und gibt den Leerlauf-Stopp frei, wodurch Leistung von der Hochspannungsbatterie an die BOP ohne Umwandlung der Spannung zugeführt wird.
  • Darüber hinaus, sobald das Starten der Brennstoffzellen abgeschlossen worden ist, löst die Steuerung die Verbindung des Batterieschalters und betreibt das Fahrzeug ausschließlich in einem Brennstoffzellen-Modus.
  • Unterdessen betreibt die Steuerung die übrigen Hilfseinheiten mit Ausnahme der BOP, bis das Starten der Brennstoffzellen abgeschlossen ist. Darüber hinaus, wenn der Hochspannungswandler wie vorgesehen arbeitet, kann die Steuerung den Hochspannungswandler ohne Stoppen seines Betriebs steuern, so dass er eine Ausgangsspannung annähernd der Leerlaufspannung OCV der Brennstoffzellen aufweist.
  • Unter Bezugnahme auf 2 bis 4 umfasst ein Verfahren für das Notstarten eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß der vorliegenden Erfindung einen Schritt S100 zum Bestimmen, durch die Steuerung, ob der Hochspannungswandler oder die Hochspannungsbatterie ausgefallen ist; einen Schritt S200 zum Verbinden/Betätigen, durch die Steuerung, des Batterieschalters zwischen dem Hochspannungswandler und der Hochspannungsbatterie, wenn der Hochspannungswandler oder die Hochspannungsbatterie ausgefallen ist; einen Schritt S300 zum Stoppen des Betriebs des Hochspannungswandlers; und einen Schritt S400 zum Zuführen der Leistung von der Hochspannungsbatterie an die BOP ohne Umwandlung.
  • 2 stellt den Fall einer Fehlfunktion während eines Leerlauf-Stopps dar, der einer zwangsweisen Brennstoffzellen-Notstartsequenz entspricht, die durchgeführt wird, wenn der Hochspannungswandler oder die Hochspannungsbatterie während des Leerlauf-Stopps der Brennstoffzellen ausfällt, während das Fahrzeug betrieben wird. Auf eine spannungsbasierte Unterlaststeuerung des Gebläses wird die Spannung der Hochspannungsbatterie und der Brennstoffzellen als eine Antriebsquelle für einen Betrieb verwendet und der Betrieb wird in einer Situation durchgeführt, in der die minimale Spannung (z. B. 100 V) als die Batteriespannung sichergestellt worden sind, weil die Spannung der Brennstoffzellen in Abhängigkeit von der Menge der Luftzufuhr variablelist.
  • In dem Fall der Minderung von Neustart-Beendigungsverzögerungs-Fehlerzuständen wird das Gebläse in einem niedrigen Spannungszustand (z. B. 100 V) mit Ausnahme eines normalen Startzustandes minimal betrieben und somit kann eine Spannungsanstiegs- und Stabilisierungszeit erhöht werden. Dementsprechend wird verhindert, dass durch Mindern der Startbeendigungszustände eine Startfehlfunktion irrtümlich bestimmt wird. In der Minderung der Startbeendigungszustände wird die maximal zulässige Zeit der EINSCHALTZEIT (EIN) des Batterierelais berücksichtigt.
  • Weitere BOP-bezogene Hilfseinheiten, die verwendet werden, um die Brennstoffzellen zu betreiben, werden betrieben, nachdem das Starten der Brennstoffbatterie beendet worden ist. Bis das Starten der Brennstoffzellen beendet ist, werden der Motor und andere Hochspannungs-Hilfseinheiten mit Ausnahme des Gebläses nicht verwendet, um Energie zu sparen.
  • Im Gegensatz zu der vorherigen Ausführungsform, wenn nur die Batterie ausfällt (der Hochspannungswandler ist normal), wird der Hochspannungswandler nicht gestoppt, aber kann betrieben werden. Wie beim normalen Starten, kann es möglich sein, die Brennstoffzellen zu starten, während die Spannung des Busanschlusses bei einer Spannung nahe der OCV der Brennstoffzellen gehalten wird. Als solches wird es offensichtlich sein, dass die Verbindung des Batterieschalters ein Beibehalten der Verbindung umfasst, wenn der Batterieschalter vor der Durchführung dieser Steuerung/Regelung verbunden worden ist.
  • Unterdessen stellt 3 den Fall der Fehlfunktion der Batterie oder des Wandlers während eines Startens dar. Wenn der Hochspannungswandler oder die Hochspannungsbatterie während einem Starten ausfällt, hält die Steuerung die Verbindung des Batterieschalters aufrecht, stoppt den Betrieb des Hochspannungswandlers und führt den Startprozess fort, wodurch die Steuerung/Regelung derart durchgeführt wird, so dass die Leistung der Hochspannungsbatterie an die BOP ohne Umwandlung davon zugeführt wird.
  • Das heißt, der Fall während des Startens ist einer Steuerungssequenz für den Leerlauf-Stopp ähnlich. Somit ist die Erzeugung während eines Startens vollständig gestoppt worden. Wenn der Hochspannungswandler/die Hochspannungsbatterie ausfällt, wird die bestehende Startsequenz kontinuierlich durchgeführt und betreibt das Gebläse durch direktes Verbinden der Hochspannungsbatterie zu der Zeit, in welcher der Betrieb des Gebläses angefordert wird.
  • Da die Erzeugung der Brennstoffzellen nicht vollständig gestoppt ist und sich die Brennstoffzellen in einem Wartezustand für eine erneute Erzeugung während des Leerlauf-Stopps der Brennstoffzellen befinden (z. B. wird das Relais der Brennstoffzellen EINGESCHALTET (EIN) gehalten, die Zufuhr von Wasserstoff wird beibehalten und das Gebläse und andere Hilfseinheiten werden gestoppt), sollte die Erzeugung durch Betreiben des Gebläses sofort nach der Fehlfunktion des Hochspannungswandlers oder der Hochspannungsbatterie wieder aufgenommen werden.
  • 4 stellt den Fall einer Fehlfunktion im EV-Modus dar, in welchem Fall, wenn der Hochspannungswandler oder die Hochspannungsbatterie während eines Fahrens im EV-Modus ausfällt, die Steuerung die Verbindung des Batterieschalters beibehalten kann, die Spannung der Brennstoffzellen durch Ausführen eines Prozesses zum Stoppen der Erzeugung der Brennstoffzellen beseitigt und dann die BOP betreibt (der dargestellte Wert A stellt einen zulässigen Brennstoffzellen-Neustart-Referenzwert dar, der mit dem niedrigen SOC während eines Fahrens im Not-EV-Modus zusammenhängt).
  • 4 zeigt ein Flussdiagramm, das die Steuerung/Regelung des Notstarts der Brennstoffzellen darstellt, wenn der Hochspannungswandler oder die Hochspannungsbatterie während eines Fahrens im Not-EV-Modus ausfällt, oder wenn der Hochspannungswandler oder die Hochspannungsbatterie nicht ausfällt, aber ein Fahren im Not-EV-Modus für eine lange Zeit aufgrund eines SOC-Mangels unmöglich ist.
  • Der Fall, in dem der Hochspannungswandler oder die Hochspannungsbatterie während eines Fahrens im Not-EV-Modus ausfällt, ist der gleiche wie der Fall des vorhergehenden Startvorganges, aber das Stoppen der Erzeugung der Brennstoffzellen sollte vor dem Neustarten der Brennstoffbatterie bestimmt werden.
  • Falls das Neustarten der Brennstoffzellen eingeleitet wird, wenn das Stoppen der Erzeugung der Brennstoffzellen nicht abgeschlossen ist, kann die Hochspannungskomponente eines Haupt-Busanschlusse bei der Verbindung des Hauptrelais der Brennstoffzellen beschädigt werden und ein Stapel kann aufgrund eines Anstiegs des Momentanstromes der Brennstoffzellen beschädigt werden (ein Wasserstoffzufuhr-Nicht-Vorbereitungszustand). Der Grund dafür ist, dass die verbleibende Hochspannung der Brennstoffzellen höher als die Spannung der Batterie an dem Haupt-Busanschluss sein kann. Es ist offensichtlich, dass, wenn der Hochspannungswandler kontinuierlich betrieben werden kann, der Prozess zum Bestimmen des Stoppens einer Erzeugung weggelassen werden kann und dann ein Neustarten sofort durchgeführt werden kann. Der Grund dafür ist, dass veranlasst werden kann, dass sich die Spannung des Busanschlusses der OCV der Brennstoffzellen durch die Spannungsregelung des Hochspannungswandlers annähert.
  • Unterdessen, falls der Hochspannungswandler normal ist, aber die Hochspannungsbatterie ausfällt, kann die Steuerung den Batterieschalter der Hochspannungsbatterie während eines Fahrens im EV-Modus verbinden, eine Steuerung/Regelung derart durchführen, so dass die Ausgangsspannung des Hochspannungswandlers auf die OCV der Brennstoffzellen eingestellt wird, und dann die BOP betreiben, wodurch Schäden verhindert werden, die der verbleibenden Spannung der Brennstoffzellen zuordenbar sind.
  • Darüber hinaus, falls der SOC der Hochspannungsbatterie niedriger als ein voreingestellter minimaler SOC während eines Fahrens im EV-Modus ist, kann die Steuerung den Batterieschalter verbinden, eine Steuerung/Regelung derart durchführen, so dass die Ausgangsspannung des Hochspannungswandlers auf die Leerlaufspannung OCV der Brennstoffzellen eingestellt wird, und dann die BOP betreiben. Der minimale SOC ist der SOC, bei dem ein Notfall-Fahren nur durch ein Not-EV-Fahren durchgeführt werden kann. Falls der SOC niedriger als der minimale SOC ist, ist es erforderlich, ein Fahrzeug durch Ausführen des Notstartens der Brennstoffzellen anzutreiben. Dementsprechend kann in diesem Fall das Notstarten der Brennstoffzellen durch Verbinden des Batterieschalters, Durchführen einer Steuerung/Regelung derart, so dass die Ausgangsspannung des Hochspannungswandlers auf die Leerlaufspannung OCV der Brennstoffzellen eingestellt wird, und dann Betreiben der BOP durchgeführt werden. Darüber hinaus wird auf ein Anfordern des Betriebs des Gebläses, um ein Starten durchzuführen, veranlasst, dass das Gebläse bei einer normalen RPM betrieben wird.
  • Falls der SOC der Batterie in einem Not-EV-Modus wie oberhalb beschrieben nicht ausreicht, werden Informationen über die Fehlfunktion des Brennstoffzellensystems zurückgesetzt und die Brennstoffzellen können neugestartet werden. In diesem Fall wird die Anzahl, wo ein Neustarten durchgeführt wird, erhöht und diese Informationen werden verwendet, um die Anzahl, wo ein Neustarten durchgeführt werden kann, zu begrenzen. Da dieser Fall keinen Fall darstellt, in dem der Hochspannungswandler oder die Hochspannungsbatterie ausfällt, wird die Spannung des Busanschlusses normalerweise bei einer Spannung annähernd der OCV der Brennstoffzellen gehalten, das Hauptrelais der Brennstoffzellen wird verbunden und die Sequenz des normalen Startens der Wasserstoff-/Sauerstoffversorgung wird gestartet. Das Gebläse wird ebenfalls bei einer optimalen RPM betrieben, die zum Starten ohne Spannungsunterlast erforderlich ist. Sobald die Brennstoffzellen erfolgreich neu gestartet worden sind, wird das Fahren in einem Brennstoffzellen-Hybridmodus durchgeführt und der unzureichende SOC wird durch das Laden der Brennstoffzellen ausgeglichen, wodurch ein Betrieb des Fahrzeugs ermöglicht wird.
  • Gemäß dem oben beschriebenen System und Verfahren für das Notstarten eines Brennstoffzellenfahrzeugs kann das Unvermögen zum Abschalten und Starten des Fahrzeugs während eines Betriebs verhindert werden, wodurch die Zuverlässigkeit zum Antreiben und die Sicherheit eines Brennstoffzellenfahrzeugs verbessert werden können.
  • Darüber hinaus kann die Zuverlässigkeit zum Antreiben eines Brennstoffzellenfahrzeugs unter Verwendung von nur einer Steuersoftware gewährleistet werden, ohne dass eine zusätzliche Notstartvorrichtung oder eine Verbesserung der Hardware erforderlich sind, und somit kann das Leistungsvermögen des Fahrzeugs ohne zusätzliche Kosten verbessert werden. Außerdem werden ein zufälliges Stehenbleiben eines Fahrzeugs und das Unvermögen zum Starten des Fahrzeugs verhindert, und somit werden der Komfort und die Sicherheit des Fahrers erhöht.
  • Obwohl die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung für veranschaulichende Zwecke beschrieben worden sind, wird der Fachmann auf dem Gebiet erkennen, dass verschiedenste Änderungen, Hinzufügungen und Ersetzungen möglich sind, ohne von dem Umfang und dem Geist der Erfindung, wie dies in den beigefügten Ansprüchen offenbart ist, abzuweichen.

Claims (13)

  1. System zum Notstarten eines Brennstoffzellenfahrzeugs, aufweisend: einen Spannungswandler, der eingerichtet ist, so dass eine Seite davon mit einer Hochspannungsbatterie über einen Batterieschalter verbunden ist, und eine verbleibende Seite davon mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen parallel geschaltet ist; eine Leistungsausgleichsvorrichtung (BOP), die zu dem Spannungswandler und den Brennstoffzellen parallel geschaltet ist; und eine Steuerung, die eingerichtet ist, um die Zufuhr von Leistung von der Hochspannungsbatterie an die BOP ohne Umwandlung durch Verbinden des Batterieschalters auf eine Fehlfunktion des Spannungswandlers oder der Hochspannungsbatterie zu steuern/regeln.
  2. System nach Anspruch 1, wobei die BOP ein Gebläse ist.
  3. System nach Anspruch 2, wobei die Steuerung die Drehzahl/Umdrehungen pro Minute des Gebläses proportional zu einer Spannung einer Hochspannungsbatterie steuert/regelt, die an das Gebläse angelegt wird.
  4. System nach Anspruch 1, wobei die Steuerung, wenn der Spannungswandler oder die Hochspannungsbatterie während eines Leerlauf-Stopps der Brennstoffzellen ausfällt, die Verbindung des Batterieschalters beibehält, einen Betrieb des Spannungswandlers stoppt und den Leerlauf-Stopp freigibt, wodurch eine Steuerung/Regelung derart durchgeführt wird, so dass die Leistung der Hochspannungsbatterie an die BOP ohne Umwandlung zugeführt wird.
  5. System nach Anspruch 4, wobei die Steuerung, wenn das Starten der Mehrzahl von Brennstoffzellen abgeschlossen ist, die Verbindung des Batterieschalters freigibt und das Fahrzeug allein in einem Brennstoffzellen-Modus betreibt.
  6. System nach Anspruch 4, wobei die Steuerung, bevor das Starten der Mehrzahl von Brennstoffzellen abgeschlossen ist, keine Hilfseinheiten mit Ausnahme der BOP betreibt.
  7. System nach Anspruch 1, wobei die Steuerung, wenn der Spannungswandler oder die Hochspannungsbatterie während eines Startens ausfällt, die Verbindung des Batterieschalters beibehält, einen Betrieb des Hochspannungswandlers stoppt und einen Startprozess fortführt, wodurch eine Steuerung/Regelung derart durchgeführt wird, so dass die Leistung der Hochspannungsbatterie an die BOP ohne Umwandlung zugeführt wird.
  8. System nach Anspruch 4 oder 7, wobei die Steuerung, wenn der Spannungswandler normal arbeitet und die Hochspannungsbatterie ausgefallen ist, einen Betrieb des Hochspannungswandlers nicht stoppt und eine Steuerung/Regelung derart durchführt, so dass der Spannungswandler eine Ausgangsspannung aufweist, die gleich einer Leerlaufspannung (OCV) der Brennstoffzellen ist,
  9. System nach Anspruch 1, wobei die Steuerung, wenn der Spannungswandler oder die Hochspannungsbatterie während eines Betriebs im EV-Modus ausfällt, die Verbindung des Batterieschalters beibehält, eine Spannung von den Brennstoffzellen durch Ausführen eines Prozesses zum Stoppen der Erzeugung der Brennstoffzellen beseitigt und die BOP betreibt.
  10. System nach Anspruch 1, wobei die Steuerung, wenn die Hochspannungsbatterie während eines Betriebs im EV-Modus ausfällt, die Verbindung des Batterieschalters beibehält, eine Ausgangsspannung des Spannungswandlers auf eine Leerlaufspannung (OCV) der Brennstoffzellen einstellt und dann die BOP betreibt.
  11. System nach Anspruch 1, wobei die Steuerung, wenn ein SOC (state of charge – Ladezustand) der Hochspannungsbatterie niedriger als ein vorgegebener minimaler SOC während eines Betriebs im EV-Modus ist, die Verbindung des Batterieschalters beibehält, eine Ausgangsspannung des Hochspannungswandlers auf eine OCV der Brennstoffzellen einstellt und dann die BOP betreibt.
  12. Verfahren zum Notstarten eines Brennstoffzellenfahrzeugs, aufweisend: Bestimmen, durch eine Steuerung, ob ein Hochspannungswandler oder eine Hochspannungsbatterie ausgefallen ist; Verbinden, durch die Steuerung, eines Batterieschalters zwischen dem Hochspannungswandler und der Hochspannungsbatterie, wenn der Hochspannungswandler oder die Hochspannungsbatterie ausgefallen ist; Stoppen, durch die Steuerung, eines Betriebs des Hochspannungswandlers; und Zuführen von Leistung von der Hochspannungsbatterie an die BOP ohne Umwandlung in Erwiderung auf das Verbinden des Batterieschalters.
  13. Nichtflüchtiges computerlesbares Medium, das Programmbefehle umfasst, die durch eine Steuerung ausgeführt werden, das computerlesbare Medium aufweisend: Programmbefehle, die bestimmen, ob ein Hochspannungswandler oder eine Hochspannungsbatterie ausgefallen ist; Programmbefehle, die einen Batterieschalter zwischen dem Hochspannungswandler und der Hochspannungsbatterie verbinden, wenn der Hochspannungswandler oder die Hochspannungsbatterie ausgefallen ist; Programmbefehle, die einen Betrieb des Hochspannungswandlers stoppen; und Programmbefehle, die eine Leistung, die von der Hochspannungsbatterie an die BOP ohne Umwandlung in Erwiderung auf das Verbinden des Batterieschalters zugeführt wird, steuern/regeln.
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