DE102014011768A1

DE102014011768A1 - Brennstoffzellenfahrzeug

Info

Publication number: DE102014011768A1
Application number: DE102014011768.5A
Authority: DE
Inventors: Naomi Sawada
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2013-08-07
Filing date: 2014-08-06
Publication date: 2015-02-12
Also published as: JP6183699B2; CN104340082A; JP2015035840A; CN104340082B

Abstract

Es wird ein Brennstoffzellenfahrzeug bereitgestellt, bei dem abhängig von einer Veränderung der Fahrbedingungen ein hoher Wirkungsgrad aufrechterhalten und gleichzeitig eine Verschlechterung der Brennstoffzelle und ein Leistungsabfall vermieden werden kann. Ein Brennstoffzellenfahrzeug, bei dem eine Brennstoffzelle 1 und eine Batterie 3 mit einem Wechselrichter und einem Motor 6 verbunden sind, um über einen Gleichspannungswandler 2, 4 parallel betrieben zu werden, umfasst brennstoffzellenseitig und batterieseitig Direktstromkreise (12, 14), die den Gleichspannungswandler 2, 4 umgehen, und brennstoffzellenseitig und batterieseitig direkt mit dem Wechselrichter und dem Motor verbunden werden können, sowie Steuermittel (11, 13), um auf beiden Seiten das Öffnen und Schließen des Gleichspannungswandlers und des Direktstromkreises zu steuern, und das Steuermittel kann so betrieben werden, dass abhängig von den Fahrbedingungen wahlweise entweder die Brennstoffzelle oder die Batterie über den Direktstromkreis auf jeder Seite direkt mit dem Wechselrichter und dem Motor verbunden wird, und die andere Komponente, also die Brennstoffzelle oder die Batterie, über den Gleichspannungswandler, der unter Konstantstromsteuerung betrieben wird, verbunden ist, oder gestoppt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellenfahrzeug, und insbesondere ein Steuerungssystem für ein Elektrofahrzeug, das mit einer Brennstoffzelle und einer Batterie ausgestattet ist.
Um den Nutzungsgrad der elektrischen Energie zu erhöhen, ist in einem Brennstoffzellenfahrzeug in vorteilhafter Weise eine Brennstoffzelle zusammen mit einer Batterie montiert. Beispielsweise ist die Brennstoffzelle direkt mit einem Wechselrichter und einem Motor verbunden, und eine Diode ist vorgesehen, um zu verhindern, dass an der Brennstoffzelle eine Überspannung anliegt. Andererseits ist die Batterie über einen Gleichspannungswandler (siehe Patentdokumente 1 und 2) mit dem Wechselrichter und dem Motor verbunden.
Bei einem solchen Brennstoffzellenfahrzeug ist es vorteilhaft, wenn bei hoher Last oder bei Lastschwankungen elektrische Energie von der Batterie zugeführt wird, und die Batterie bei Verzögerung des Fahrzeugs mit regenerativer elektrischer Energie von einem Motor aufgeladen wird. Wenn die Zellspannung hoch ist, weist das Brennstoffzellenfahrzeug jedoch dahingehend ein Problem auf, dass die Oxidation eines Katalysators fortschreitet, die Aktivität und dadurch die Leistung der Brennstoffzelle geringer wird. Das Brennstoffzellenfahrzeug weist auch dahingehend ein Problem auf, dass bei einer Veränderung der Zellspannung die Auflösung aufgrund der wiederholten Oxidation und Reduktion des Katalysators fortschreitet und die Brennstoffzelle sich dadurch verschlechtert. Daher wurde ein effizientes Steuerungssystem in Betracht gezogen, mit dem diese Probleme vermieden werden können und das abhängig von den Veränderung der Fahrbedingungen einen hohen Wirkungsgrad aufrechterhalten kann.
Patentdokument 1 JP 2006-286305 A
Patentdokument 2 JP 2010-259276 A
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die oben beschriebenen Aspekte des Stands der Technik entwickelt und hat dementsprechend die Aufgabe, ein Brennstoffzellenfahrzeug bereitzustellen, bei dem entsprechend der Veränderung der Fahrbedingungen ein hoher Wirkungsgrad aufrechterhalten und gleichzeitig eine Verschlechterung der Brennstoffzellen und ein Leistungsabfall vermieden werden kann.
Zur Lösung der vorstehend beschriebenen Probleme stellt die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellenfahrzeug zur Verfügung, bei dem eine Brennstoffzelle und eine Batterie zum Parallelbetrieb über einen Gleichspannungswandler mit einem Wechselrichter und einem Motor verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellenfahrzeug brennstoffzellenseitig und batterieseitig Direktstromkreise umfasst, die den Gleichspannungswandler überbrücken und brennstoffzellenseitig und batterieseitig direkt mit dem Wechselrichter und dem Motor verbunden werden können, sowie Steuermittel, um auf beiden Seiten das Öffnen und Schließen des Gleichspannungswandlers und des Direktstromkreises zu steuern, und das Steuermittel kann so betrieben werden, dass abhängig von den Fahrbedingungen wahlweise entweder die Brennstoffzelle oder die Batterie über den Direktstromkreis auf jeder Seite direkt mit dem Wechselrichter und dem Motor verbunden wird, und die andere Komponente, also die Brennstoffzelle oder die Batterie, über den Gleichspannungswandler, der unter Konstantstromsteuerung betrieben wird, verbunden wird, oder der Gleichspannungswandler gestoppt wird.
Das Brennstoffzellenfahrzeug ist also dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungswandler und der Direktstromkreis zu dessen Überbrückung jeweils brennstoffzellenseitig und batterieseitig bereitgestellt sind, und durch selektives Umschalten des Gleichspannungswandlers und des Direktstromkreises in Abhängigkeit von den Fahrbedingungen wird ein hoher Wirkungsgrad der Brennstoffzellen aufrechterhalten. Diese Ausgestaltung wurde durch Berücksichtigung der nachstehend beschriebenen Eigenschaften der Brennstoffzelle erhalten.
8(a) ist eine graphische Darstellung einer Stromstärken-Spannungs-Kurve der Brennstoffzelle, welche die Eigenschaft zeigt, dass bei ansteigendem Strom die Spannung abnimmt. 8(b) zeigt die Beziehung zwischen Strom und Wirkungsgrad der Brennstoffzelle und zeigt, dass der Wirkungsgrad am höchsten ist, wenn die Zellspannung etwa 0,7 V beträgt, und der größtmögliche Wirkungsgrad in dem Bereich von 0,64 bis 0,75 V erzielt werden kann. Indem die Steuerung so durchgeführt wird, dass die Zellspannung in diesem Bereich gehalten wird, kann ein hoher Wirkungsgrad erzielt werden und zusätzlich kann eine Verschlechterung in den Brennstoffzellen verhindert werden.
Genauer wird brennstoffzellenseitig in dem Fall, in dem die Zellspannung in einem hohen Bereich liegt (linker oberer Bereich in 8(a)) die Zellspannung verringert, indem durch Konstantstromsteuerung eine Abwärtswandlung des Gleichspannungswandlers ausgeführt wird. Umgekehrt wird die Brennstoffzelle in dem Fall, in dem die Zellspannung in einem niedrigen Bereich liegt (rechter unterer Bereich in 8(a)), direkt verbunden, der Effizienzabfall infolge der Durchleitung durch den Gleichspannungswandler wird vermieden und zusätzlich wird Hilfsenergie von der Batterie zugeführt, um die Zellspannung zu erhöhen. In dem Fall, in dem ein Zustand extrem niedriger Temperatur, oder einer Verschlechterung der Brennstoffzelle ermittelt wird, steigt die Zellspannung, d. h. sie wird wiederhergestellt, indem durch Konstantstromsteuerung eine Aufwärtswandlung des Gleichspannungswandlers ausgeführt wird.
Durch die oben beschriebene Ausgestaltung weist das Brennstoffzellenfahrzeug gemäß der vorliegenden Erfindung die nachstehend beschriebenen Vorteile auf.
Da entweder die Brennstoffzelle oder die Batterie stets direkt mit dem Wechselrichter und dem Motor verbunden ist und ohne ein Durchleiten durch den Gleichspannungswandler Strom zugeführt oder die Batterie mit regenerativer elektrischer Energie aufgeladen werden kann, kann erstens der Effizienzabfall infolge der Durchleitung durch den Gleichspannungswandler vermieden werden.
Da die andere Komponente, also die Brennstoffzelle oder die Batterie, über den Gleichspannungswandler, der unter Konstantstromsteuerung betrieben wird, verbunden ist, können zweitens der Anstieg der Brennstoffzellenspannung beim Starten oder bei der Regeneration, sowie eine Batterieüberladung im Hochleistungsbetrieb verhindert und Hilfsenergie zugeführt werden. Des Weiteren ist das Brennstoffzellenfahrzeug dahingehend vorteilhaft, dass den Veränderungen der Fahrbedingungen entsprechend ein hoher Wirkungsgrad aufrechterhalten und gleichzeitig eine Verschlechterung der Brennstoffzelle und einen Leistungsabfall vermieden werden können. Darüber hinaus kann bei Normalbetrieb oder bei Ausfall der Batterie die Batterie abgeschaltet werden.
Da entweder die Brennstoffzelle oder die Batterie stets direkt mit dem Wechselrichter und dem Motor verbunden ist, kann die Konstantstromsteuerung brennstoffzellenseitig und batterieseitig von einem Gleichspannungswandler durchgeführt werden, so dass es möglich wird, lediglich einen Induktor (Drosselspule), der ein verhältnismäßig großes Bauteil ist, zu verwenden. Diese Konfiguration wird daher vorteilhafter Weise bei Zweirad- und Dreiradfahrzeugen eingesetzt, bei denen der Montageraum für Geräte stark eingeschränkt ist.
Vorteilhafter Weise ist die Konfiguration derart, dass der Betriebsmodus, welcher der jeweiligen oben beschriebenen Fahrbedingung entspricht, vorab in einem Steuermittel (einer an das Steuermittel angebrachten Speichervorrichtung) gespeichert werden, und durch die Wahl eines der Fahrbedingung entsprechenden Betriebsmodus werden auf jeder Seite die Brennstoffzelle, die Batterie, der Gleichspannungswandler und der Direktstromkreis umgeschaltet.
Die vorliegende Erfindung stellt also zusätzlich ein Brennstoffzellenfahrzeug zur Verfügung, bei dem eine Brennstoffzelle und eine Batterie zum Parallelbetrieb über einen Gleichspannungswandler mit einem Wechselrichter und einem Motor verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass
das Brennstoffzellenfahrzeug brennstoffzellenseitig und batterieseitig Direktstromkreise umfasst, die den Gleichspannungswandler überbrücken und brennstoffzellenseitig und batterieseitig direkt mit dem Wechselrichter und dem Motor verbunden werden können, sowie Steuermittel, um auf beiden Seiten das Öffnen und Schließen des Gleichspannungswandlers und des Direktstromkreises zu steuern, und
wobei das Steuermittel in jedem der folgenden Modi wahlweise betrieben werden kann:
einem Startmodus, in welchem dem Wechselrichter und dem Motor Strom von der Batterie zugeführt wird, indem die Batterie direkt mit dem Wechselrichter und dem Motor verbunden und der Gleichspannungswandler durch Öffnen des brennstoffzellenseitigen Direktstromkreises mit Konstantstromsteuerung betrieben wird,
einem Normalbetriebsmodus, in welchem dem Wechselrichter und dem Motor Strom von der Brennstoffzelle zugeführt wird, indem die Brennstoffzelle direkt mit dem Wechselrichter und dem Motor verbunden und der batterieseitige Direktstromkreis geöffnet wird, und
einem Regenerationsmodus, in dem während des Bremsvorgangs die Batterie mit regenerativer elektrischer Energie aufgeladen wird, indem die Batterie direkt mit dem Wechselrichter und dem Motor verbunden und der Gleichspannungswandler durch Öffnen des brennstoffzellenseitigen Direktstromkreises mit Konstantstromsteuerung betrieben wird.
Gemäß der obigen Konfiguration kann das Fahrzeug sofort als Elektrofahrzeug betrieben werden, indem dem Wechselrichter und dem Motor Strom von der Batterie zugeführt wird, und zum anderen kann durch Verbinden der Brennstoffzelle über den Gleichspannungswandler der Stromwert erhöht werden, bis eine für Normalbetrieb erforderliche Leistung erreicht ist, während gleichzeitig der Anstieg der Zellspannung vermieden wird.
Im Normalbetriebsmodus kann außerdem der durch den Gleichspannungswandler bedingte Effizienzabfall vermieden werden, indem dem Wechselrichter und dem Motor Strom direkt von der Brennstoffzelle zugeführt wird. Während des Bremsvorgangs kann die Batterie darüber hinaus effizient mit regenerativer elektrischer Energie aufgeladen werden, wobei der durch den Gleichspannungswandler bedingte Effizienzabfall vermieden wird, und durch Verbinden der Brennstoffzelle über den Gleichspannungswandler kann der Normalbetrieb wiederhergestellt werden, wobei gleichzeitig der Anstieg der Zellspannung vermieden und der Zustand, in dem ein hoher Wirkungsgrads erreicht wird, erhalten bleibt.
Bei einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung kann das Steuermittel wahlweise in jedem Modus und zusätzlich in einem Hochleistungs-Betriebsmodus betrieben werden, wobei, im Normalbetriebsmodus der Gleichspannungswandler batterieseitig durch Konstantstromsteuerung betrieben wird und dem Wechselrichter und dem Motor über den Gleichspannungswandler Strom von der Batterie zugeführt wird.
Gemäß der obigen Konfiguration kann Hilfsenergie von der Batterie zugeführt und gleichzeitig eine Überladung vermieden werden und ein hoher Wirkungsgrad kann aufrechterhalten werden, während eine mangelnde Leistung der Brennstoffzelle und eine Abnahme der Zellspannung vermieden werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung kann das Steuermittel in jedem der folgenden Modi wahlweise betrieben werden:
einem Brennstoffzellen-Verschlechterungsmodus, in dem, falls ein anormaler Zustand der Brennstoffzelle festgestellt wird, dem Wechselrichter und dem Motor Strom von der Batterie zugeführt wird, indem die Batterie direkt mit dem Wechselrichter und dem Motor verbunden wird und zum anderen der Gleichspannungswandler durch Öffnen des brennstoffzellenseitigen Direktstromkreises mit Konstantstromsteuerung betrieben wird;
einem Brennstoffzellen-Ausfallmodus, in dem, im Falle eines Ausfalls der Brennstoffzelle dem Wechselrichter und dem Motor Strom von der Batterie zugeführt wird, indem die Batterie direkt mit dem Wechselrichter und dem Motor verbunden wird, und zum anderen der Gleichspannungswandler gestoppt wird, und
einem Batterie-Ausfallmodus, in dem, im Falle eines Ausfalls der Batterie dem Wechselrichter und dem Motor Strom von der Brennstoffzelle zugeführt wird, indem die Brennstoffzelle direkt mit dem Wechselrichter und dem Motor verbunden wird und der Gleichspannungswandler zum anderen gestoppt wird.
Gemäß der obigen Konfiguration wird in dem Fall, in dem ein Ausfall der Brennstoffzelle oder der Batterie festgestellt wird, die ausgefallene Stromquelle abgeschaltet und die andere Stromquelle wird direkt verbunden, wodurch der Betrieb effizient fortgesetzt werden kann. In dem Fall, in dem sich die Brennstoffzelle durch sehr lang andauernde Nichtbenutzung oder dergleichen verschlechtert hat, kann durch Verbinden der Brennstoffzelle über den mit Konstantstromsteuerung betriebenen Gleichspannungswandler die Brennstoffzelle während des laufenden Betriebs durch die Leistung der Batterie regeneriert werden.
Bei noch einer weiteren bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung ist der Gleichspannungswandler als ein bidirektionaler Gleichspannungswandler bereitgestellt, der einen brennstoffzellenseitig und batterieseitig gemeinsam genutzten Induktor sowie brennstoffzellenseitig und batterieseitig wahlweise betriebene einzelne Schaltvorrichtungen umfasst.
Während gemäß der obigen Konfiguration verschiedene oben beschriebene Vorteile erzielt werden, können durch Verwendung lediglich eines Induktors (Drosselspule), der ein verhältnismäßig großformatiges Bauteil ist, die Kosten reduziert und die Größe und das Gewicht verringert werden. Diese Konfiguration wird daher vorteilhafter Weise bei Zweirad- und Dreiradfahrzeugen eingesetzt, bei denen der Montageraum für Geräte stark eingeschränkt ist, und des Weiteren werden der Stromkreis und die Steuerschaltung in vorteilhafter Weise vereinfacht.
1 ist ein Diagramm einer Grundkonfiguration eines Brennstoffzellenfahrzeug gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist ein Blockdiagramm, das Betriebsmodi eines Brennstoffzellenfahrzeug gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
3 ist ein Ablaufdiagramm, das die Steuerung in einem Startmodus eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
4 ist ein Blockkonfigurationsdiagramm, das Betriebsmodi eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei 4(a) einen Startmodus, 4(b) einen Normalbetriebsmodus, 4(c) einen Regenerationsmodus und 4(d) einen Hochleistungsbetriebsmodus zeigt.
5 ist ein Blockkonfigurationsdiagramm, das Notfallmodi eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei 5(a) einen FC-Verschlechterungsmodus, 5(b) einen LiB-Ausfallmodus und 5(c) einen FC-Ausfallmodus zeigt.
6 ist ein Diagramm einer Grundkonfiguration eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7 ist ein Schaltbild eines Gleichspannungswandlers eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8(a) ist eine graphische Darstellung einer Stromstärken-Spannungs-Kurve einer Brennstoffzelle und 8(b) ist eine graphische Darstellung einer Stromausbeute-Kurve derselben.
Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert beschrieben.
Nach 1 umfasst ein Brennstoffzellenfahrzeug 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Brennstoffzelle 1 und eine Batterie 3, die über den Gleichspannungswandler 2 bzw. den Gleichspannungswandler 4 parallel mit einem Wechselrichter 5 und einem Motor 6 verbunden sind, Direktstromkreise 12 und 14 zur Überbrückung des Gleichspannungswandlers 2 bzw. 4, und Schaltmittel 11 und 13 zum Abschalten dieses Direktstromkreises 12 bzw. 14.
Als Brennstoffzelle 1 kommt zweckmäßig eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle [engl. Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC] zum Einsatz. In den Zeichnungen wird die Brennstoffzelle 1 in einigen Fällen einfach als FC bezeichnet. Als Batterie 3 kommt zweckmäßig eine Sekundärlithiumionenbatterie [engl. lithium ion secondary battery, LiB] zum Einsatz. Der Motor 6 ist ein Motor-Generator (elektrische rotierende Maschine), der auch eine Funktion als Generator hat.
Der Gleichspannungswandler 2, 4 ist, wie weiter unten beschrieben, durch einen Induktor (Drosselspule) und Schaltvorrichtungen, die an beiden Seiten des Induktors mit diesem verbunden sind, und dergleichen gebildet, führt Konstantstromsteuerung mittels Pulsbreitenmodulation [engl. pulse width modulation, PWM] durch, und wird als Hochsteller/Abwärtssteller [engl. boost/buck voltage converter] betrieben. In der nachfolgenden Erläuterung wird dieser Steuermodus in einigen Fällen einfach als Konstantstrommodus bezeichnet. Der Gleichspannungswandler 4 auf der Seite der Batterie 3 muss als bidirektionaler Gleichspannungswandler konfiguriert sein, der zum Aufladen und Entladen genutzt werden kann. Als Schaltvorrichtung des Gleichspannungswandlers 2, 4 und der Schaltmittel 11, 13 des Direktstromkreises 12, 14 kommt zweckmäßig ein Leistungs-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor [engl. Power-MOSFET] zum Einsatz; andere Schaltvorrichtungen können jedoch ebenso eingesetzt werden.
Bei dem Brennstoffzellenfahrzeug 10 gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Schaltmittel 11 (13) auf der Seite der Brennstoffzelle 1 (bzw. der Seite der Batterie 3) direkt geschlossen und verbunden und das Schaltmittel 13 (11) auf der Seite der Batterie 3 (bzw. der Seite der Brennstoffzelle 1) wird geöffnet, wodurch die Betriebsmodi unter Verwendung eines nicht dargestellten Steuermittels (CPU) den Fahrbedingungen entsprechend umgeschaltet werden, je nachdem, ob der Gleichspannungswandler 4 (2) unter Konstantstromsteuerung betrieben oder gestoppt wird. Vier Betriebsmodi auf der linken Seite in 2 sind Grundbetriebsmodi 40 (41 bis 44) des Brennstoffzellenfahrzeugs 10 gemäß der vorliegenden Erfindung, und drei Betriebsmodi auf der rechten Seite sind Notfallmodi 50 (51 bis 53). Im Folgenden werden die Modi erläutert.
4(a) zeigt den Grundbetrieb in einem Startmodus 41, und 3 ist ein Ablaufdiagramm, das die Steuerung hauptsächlich bezogen auf den Startmodus zeigt. Wenn ein Schalter des Brennstoffzellenfahrzeugs 10 auf ”EIN” gestellt wird, wird der Startmodus 41 aktiviert. Beim Starten werden sowohl die Brennstoffzelle 1, als auch die Batterie 3 und der Wechselrichter 5 aus dem AUS-Zustand aktiviert. Anschließend werden die Batterie 3 und der Wechselrichter 5, die unmittelbar gestartet werden können, auf ”EIN” geschaltet und das Fahrzeug wird in einem Elektrofahrzeug-Modus [engl. electric vehicle mode, EV mode] fahrbar. Zu diesem Zeitpunkt wird das Schaltmittel 13 des Direktstromkreises 14 geschlossen, um das Fahrzeug im Direktmodus zu starten, während der Gleichspannungswandler 4 auf der Seite der Batterie 3 im AUS-Zustand ist.
Als Nächstes wird die Brennstoffzelle 1 gestartet (die Batterie 3 kann gleichzeitig gestartet werden). Zu diesem Zeitpunkt wird der Gleichspannungswandler 2 in einem Konstantstrommodus gestartet, während das Schaltmittel 11 des Direktstromkreises 12 auf der Seite der Brennstoffzelle 1 nach wie vor geöffnet ist. Der Sollwert dieses Konstantstroms wird stufenweise erhöht, während die Zustände der Brennstoffzelle 1 (Stromerzeugungsspannung jeder Zelle, Zelltemperatur, interner Widerstand) überwacht werden, und der Stromwert wird solange erhöht, bis die benötigte Leistung erreicht ist.
Falls bei dem Prozess ein abnormaler Zustand (einschließlich niedriger Temperatur) der Brennstoffzelle 1 festgestellt wird, schaltet der Betrieb in einen FC-Verschlechterungsmodus 51 oder einen FC-Ausfallmodus 53, wie weiter unten beschrieben. Wenn die Brennstoffzelle 1 kein Problem aufweist, schaltet der Betrieb in einen Normalbetriebsmodus 42. Nachdem der Normalbetriebsmodus 42 eingeschaltet wurde, wird außerdem, falls der Motor 6 stoppt, oder die Leistung des Motors 6 abnimmt, der Betrieb in den Startmodus 41 rückgesetzt.
4(b) zeigt den Normalbetriebsmodus 42. Im Normalbetriebsmodus 42 wird das Schaltmittel 11 des Direktstromkreises 12 geschlossen, um den Direktmodus einzustellen, während der Gleichspannungswandler 2 auf der Seite der Brennstoffzelle 1 in einem AUS-Zustand ist, und das Fahrzeug fährt ausschließlich mittels der Leistung von der Brennstoffzelle 1. Dadurch wird der Leistungsverlust in dem Gleichspannungswandler 2 auf der Seite der Brennstoffzelle 1 vermieden und der Stromverbrauch wird gering gehalten.
Wenn in diesem Zustand die Leistung des Motors 6 zunimmt und die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 1 abnimmt, oder wenn die Gefahr einer Überflutung zunimmt, schaltet der Modus, wie weiter unten beschrieben, in einen Hochleistungsmodus 44. Im Normalbetriebsmodus 42 ist der Gleichspannungswandler 4 auf der Seite der Batterie 3 außerdem normalerweise im AUS-Zustand. Falls die Ladungsmenge der Batterie 3 jedoch bis zu einem Schwellenwert oder noch weiter fällt, beispielsweise bis zu einem Wert von 30% oder weniger, wird der Gleichspannungswandler 4 aktiviert, um die Batterie 3 aufzuladen.
4(c) zeigt einen Regenerationsmodus 43. Falls eine Motorbremsung erforderlich ist, oder falls ein Bremspedal betätigt wird, während das Fahrzeug in dem zuvor beschriebenen Startmodus 41, oder dem Normalbetriebsmodus 42, oder einem Hochleistungsmodus 44, oder einem weiter unten beschriebenen FC-Verschlechterungsmodus 51 fährt, wird der Regenerationsmodus 43 aktiviert und abhängig von der Bremskraft wird der Wechselrichter 5 so betrieben, dass er die Batterie 3 auflädt.
Zu diesem Zeitpunkt ist das Schaltmittel 13 des Direktstromkreises 14 zum Aktivieren des Direktmodus geschlossen, so dass die Ladeeffizienz erhöht wird und der Leistungsverlust minimiert werden kann, während der Gleichspannungswandler 4 auf der Seite der Batterie 3 im AUS-Zustand ist. Da der Zustand der Brennstoffzelle 1 sich verschlechtern kann, wenn die Leistung auf Null reduziert wird, wird andererseits ein elektrischer Strom als Ladestrom aufrechterhalten, um die Verschlechterung zu vermeiden. Zu diesem Zeitpunkt wird der Gleichspannungswandler 2 auf der Seite der Brennstoffzelle 1 im Konstantstrommodus betrieben, in dem der elektrische Strom gesteuert wird.
4(d) zeigt den Hochleistungsmodus 44. Falls die Leistung des Motors 6 im Normalbetriebsmodus 42 zu hoch wird, schaltet der Betriebsmodus in den Hochleistungsmodus 44 um. In diesem Hochleistungsmodus 44 wird der Gleichspannungswandler 4 auf der Seite der Batterie 3 aus dem Normalbetriebsmodus 42 im Konstantstrommodus aktiviert, und es wird ein Vorgang durchgeführt, der den Leistungsmangel der Brennstoffzelle 1 und den anormalen Zustand der Spannung vermindert. Falls voraussichtlich auch eine Überflutung in der Brennstoffzelle 1 auftritt, schaltet der Modus in diesen Hochleistungsmodus 44 um. Falls jedoch, wie zuvor beschrieben, die Ladungsmenge der Batterie 3 bis zu einem Schwellenwert oder noch weiter fällt, schaltet der Modus nicht in den Hochleistungsmodus 44 um.
5(a) zeigt den FC-Verschlechterungsmodus 51 (Brennstoffzellen-Verschlechterungsmodus). Falls in dem zuvor beschriebenen Startmodus 41 ein anormaler Zustand der Brennstoffzelle 1, wie etwa ein Anstieg des internen Widerstands, festgestellt wird, schaltet der Betrieb in diesen Modus 51 um. Als anormaler Zustand der Brennstoffzelle 1 sind eine extrem niedrige Temperatur, Verschlechterung in einem Widerstand (R), ein Ausfall der Brennstoffzelle 1 und dergleichen denkbar. Falls die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 1 jedoch anormal sinkt, wird entschieden, dass die Brennstoffzelle 1 ausfällt, der Fahrer erhält eine Warnmeldung über den anormalen Zustand, und der Betrieb schaltet um in den EV-Modus.
Wenn der Zustand der Brennstoffzelle 1 sich verschlechtert, ist der interne Widerstand der Brennstoffzelle 1 übermäßig hoch, die Temperatur der Brennstoffzelle 1 ist jedoch nicht niedrig. In diesem Fall wird das Fahrzeug so betrieben, dass es in dem EV-Modus fährt, in dem die Batterie 3 direkt verbunden ist, und der Gleichspannungswandler 2 auf der Seite der Brennstoffzelle 1 ist in dem Konstantstrommodus mit dem Warten auf die Wiederherstellung der Leistung der Brennstoffzelle 1. Ist der interne Widerstand der Brennstoffzelle 1 übermäßig hoch, und die Temperatur der Brennstoffzelle 1 niedrig, wird entschieden, dass die Leistung durch eine extrem niedrige Temperatur verringert wird, und [der Gleichspannungswandler 2] wartet auf den Temperaturanstieg, während die Brennstoffzelle 1 durch einen Konstantstrom betrieben wird. Wenn die Brennstoffzelle 1 sich verschlechtert und die Temperatur der Brennstoffzelle 1 niedrig ist, kehrt der Betriebsmodus zum Startmodus 41 zurück, falls eine Leistungserhöhung der Brennstoffzelle 1 festgestellt wird.
5(b) zeigt einen Batterie-Ausfallmodus 52. Falls die Batterie 3 (Lithium-Ionen-Batterie) ausfällt, schaltet der Betriebsmodus in diesen Modus 52 als Notfallmodus 50 um. Zu diesem Zeitpunkt ist der Gleichspannungswandler 4 auf der Seite der Batterie 3 im AUS-Zustand und das Schaltmittel 11 des Direktstromkreises 12 geschlossen, um den Direktmodus einzustellen, während der Gleichspannungswandler 2 auf der Seite der Brennstoffzelle 1 im AUS-Zustand ist. Obwohl er sich in dem Regenerationsmodus 43 befindet, wird außerdem der Gleichspannungswandler 2 auf der Seite der Brennstoffzelle 1 in den AUS-Zustand geschaltet, damit er in diesem Notfallmodus nicht die Regeneration aktiviert.
5(c) zeigt den FC-Ausfallmodus 53 (Brennstoffzellen-Ausfallmodus). Dieser Modus ist ebenfalls ein Notfallmodus 50. In diesem Fall ist der Gleichspannungswandler 2 auf der Seite der Brennstoffzelle 1 im AUS-Zustand und das Schaltmittel 13 des Direktstromkreises 14 geschlossen, um den Direktmodus einzustellen, während der Gleichspannungswandler 4 auf der Seite der Batterie 3 im AUS-Zustand ist, wodurch der Betrieb in den EV-Modus umschaltet. In diesem Fall ist die Regeneration ausführbar, falls die Ladungsmenge der Batterie 3 aufgebraucht ist, kann das Fahrzeug nicht fahren. Demnach muss das Fahrzeug in eine Reparaturwerkstätte gefahren werden, bevor die Ladungsmenge der Batterie 3 aufgebraucht ist.
Als Nächstes zeigen die 6 und 7 ein Brennstoffzellenfahrzeug 20 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, sowie den Hauptteil von dessen Stromkreis. Im Unterschied zu dem Brennstoffzellenfahrzeug 10 der ersten Ausführungsform ist das Brennstoffzellenfahrzeug 20 so ausgestaltet, dass ein Gleichspannungswandler 8 auf der Seite der Brennstoffzelle 1 und auf der Seite der Batterie 3 gemeinsam zum Einsatz kommt.
In 7 entsprechen dem batterieseitigen Gleichspannungswandler 4 der ersten Ausführungsform ein Induktor L1 (Drosselspule) und vier Schaltvorrichtungen M1, M2, M3 und M4 (Power-MOSFETs), und der Induktor L1 (Drosselspule) und vier Schaltvorrichtungen M5, M2, M3 und M4, wobei M5 anstelle einer Schaltvorrichtung M1 hinzugefügt wird, entsprechen dem brennstoffzellenseitigen Gleichspannungswandler 2 der ersten Ausführungsform.
Auf der Seite der Brennstoffzelle 1 und auf der Seite der Batterie 3 sind die Direktstromkreise 22 und 24 zur Überbrückung des Gleichspannungswandlers 8 dieselben wie in der ersten Ausführungsform, und zwei Schaltvorrichtungen M7 und M8 (Power-MOSFETs) sind als Schaltmittel 23 mit dem Direktstromkreis 24 auf der Seite der Batterie 3 verbunden, um die bidirektionalen Funktionen des Entladens (Stromversorgung) und des Aufladens (Leistungsregeneration) bereitzustellen.
In dem Brennstoffzellenfahrzeug 20 der zweiten Ausführungsform muss lediglich ein Induktor, der eine verhältnismäßig große und schwere Komponente ist, eingebaut werden. Die Konfiguration ist demnach vorteilhaft hinsichtlich einer Gewichts- und Größenreduktion und daher ist diese Konfiguration für Zweirad- und Dreiradfahrzeuge, bei denen der Montageraum für Geräte stark eingeschränkt ist, die am besten geeignete.
Obenstehendes ist eine Erläuterung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und verschiedene Abwandlungen und Veränderungen können darüber hinaus auf der Grundlage des technischen Konzepts der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzelle
2, 4, 8: Gleichspannungswandler
3: Batterie
5: Wechselrichter
6: Motor
10, 20: Brennstoffzellenfahrzeug
11, 13, 21, 23: Schaltmittel
12, 14, 22, 24: Direktstromkreis
41: Startmodus
42: Normalbetriebsmodus
43: Regenerationsmodus
44: Hochleistungsbetriebsmodus
51: FC-Verschlechterungsmodus (Brennstoffzellen-Verschlechterungsmodus)
52: Batterie-Ausfallmodus
53: FC-Ausfallmodus (Brennstoffzellen-Ausfallmodus)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2006-286305 A [0003]
JP 2010-259276 A [0003]

Claims

Brennstoffzellenfahrzeug, bei dem eine Brennstoffzelle und eine Batterie zum Parallelbetrieb über mindestens einen Gleichspannungswandler mit einem Wechselrichter und einem Motor verbunden sind, wobei das Brennstoffzellenfahrzeug Folgendes umfasst: ein erster Direktstromkreis, der den Gleichspannungswandler überbrückt und die Brennstoffzelle mit dem Wechselrichter und dem Motor direkt verbinden kann, ein zweiter Direktstromkreis, der den Gleichspannungswandler überbrückt und welche die Batterie mit dem Wechselrichter und dem Motor direkt verbinden kann und Steuermittel, um den Gleichspannungswandler und das Öffnen und Schließen des ersten und zweiten Direktstromkreises zu steuern, wobei das Steuermittel so betrieben werden kann, dass abhängig von den Fahrbedingungen wahlweise entweder die Brennstoffzelle oder die Batterie über den entsprechenden Direktstromkreis direkt mit dem Wechselrichter und dem Motor verbunden wird, und die andere Komponente, also die Brennstoffzelle oder die Batterie, über den Gleichspannungswandler, der unter Konstantstromsteuerung betrieben wird, verbunden wird, oder der Gleichspannungswandler gestoppt wird.
Brennstoffzellenfahrzeug, bei dem eine Brennstoffzelle und eine Batterie zum Parallelbetrieb über einen Gleichspannungswandler mit einem Wechselrichter und einem Motor verbunden sind, wobei das Brennstoffzellenfahrzeug Folgendes umfasst: ein erster Direktstromkreis, der den Gleichspannungswandler überbrückt und die Brennstoffzelle mit dem Wechselrichter und dem Motor direkt verbinden kann, ein zweiter Direktstromkreis, der den Gleichspannungswandler überbrückt und welche die Batterie mit dem Wechselrichter und dem Motor direkt verbinden kann und Steuermittel, um den Gleichspannungswandler und das Öffnen und Schließen des ersten und zweiten Direktstromkreises zu steuern, wobei das Steuermittel in jedem der folgenden Modi wahlweise betrieben werden kann: einem Startmodus, in dem durch Schließen des zweiten Direktstromkreises dem Wechselrichter und dem Motor Strom von der Batterie zugeführt wird und der Gleichspannungswandler durch Öffnen des ersten Direktstromkreises mit Konstantstromsteuerung betrieben wird; einem Normalbetriebsmodus, in dem durch Schließen des ersten Direktstromkreises dem Wechselrichter und dem Motor Strom von der Brennstoffzelle zugeführt wird und der zweite Direktstromkreis geöffnet ist, und einem Regenerationsmodus, in dem während des Bremsvorgangs die Batterie durch Schließen des zweiten Direktstromkreises mit regenerativer elektrischer Energie aufgeladen wird und der Gleichspannungswandler durch Öffnen des ersten Direktstromkreises mit Konstantstromsteuerung betrieben wird.
Brennstoffzellenfahrzeug nach Anspruch 2, wobei das Steuermittel wahlweise in jedem Modus und zusätzlich in einem Hochleistungs-Betriebsmodus betrieben werden kann, wobei im Normalbetriebsmodus der Gleichspannungswandler batterieseitig durch Konstantstromsteuerung betrieben wird und dem Wechselrichter und dem Motor über den Gleichspannungswandler zusätzlich Strom von der Batterie zugeführt wird.
Brennstoffzellenfahrzeug nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Steuermittel außerdem in jedem der folgenden Modi wahlweise betrieben werden kann: einem Brennstoffzellen-Verschlechterungsmodus, in dem bei Detektion eines anormalen Zustands der Brennstoffzelle dem Wechselrichter und dem Motor durch Schließen des zweiten Direktstromkreises Strom aus der Batterie zugeführt wird, während der Gleichspannungswandler durch Öffnen des ersten Direktstromkreises unter Konstantstromsteuerung betrieben wird; einem Brennstoffzellen-Ausfallmodus, in dem, falls die Brennstoffzelle ausfällt, dem Wechselrichter und dem Motor durch Schließen des zweiten Direktstromkreises Strom aus der Batterie zugeführt wird, während der Gleichspannungswandler gestoppt wird, und einem Batterie-Ausfallmodus in dem, falls die Batterie ausfällt, dem Wechselrichter und dem Motor durch Schließen des ersten Direktstromkreises Strom aus der Brennstoffzelle zugeführt wird, während der Gleichspannungswandler gestoppt wird.
Brennstoffzellenfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Gleichspannungswandler als ein bidirektionaler Gleichspannungswandler bereitgestellt ist, der einen brennstoffzellenseitig und batterieseitig gemeinsam genutzten Induktor sowie brennstoffzellenseitig und batterieseitig wahlweise betriebene einzelne Schaltvorrichtungen umfasst.