DE102014118051B4

DE102014118051B4 - Verfahren zur Erzeugung von Injektionsstrom für einen Brennstoffzellenstapel sowie Vorrichtung zu dessen Durchführung

Info

Publication number: DE102014118051B4
Application number: DE102014118051.8A
Authority: DE
Inventors: Hyun-seok Park; Mun-Ki Ko; Jin-ho Cho
Original assignee: Hyundai Autron Co Ltd
Current assignee: Hyundai Kefico Corp
Priority date: 2013-12-20
Filing date: 2014-12-05
Publication date: 2017-02-23
Anticipated expiration: 2034-12-06
Also published as: KR20150072584A; DE102014118051A1; US20150180365A1; CN104733752A; CN104733752B; US10147959B2; KR101584864B1

Abstract

Vorrichtung zur Erzeugung von Injektionsstrom für einen Brennstoffzellenstapel, umfassend:
einen ersten Wandler, der so ausgestaltet ist, dass er Gleichstrom einer Spannung, die einer Hochspannungsbatterie entspricht, in Gleichstrom einer vorgegebenen Spannung umwandelt;
einen zweiten Wandler, der so ausgestaltet ist, dass er den umgewandelten Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt;
ein Filter, das so ausgestaltet ist, dass es ein Signal eines vorgegebenen Frequenzbandes aus dem umgewandelten Wechselstrom filtert; und
ein Steuergerät, das so ausgestaltet ist, dass es eine Rückkopplungsregelung durchführt durch Überprüfung, ob eine Abweichung zwischen in den Brennstoffzellenstapel eingespeisten Injektionswechselstrom und dem tatsächlichen Wechselstrom auftritt, damit der gefilterte Wechselstrom bei dessen Einspeisung in den Brennstoffzellenstapel dem tatsächlichen Injektionsstrom gleichkommt.

Description

Allgemeiner Stand der Technik
1. Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Injektionsstrom für einen Brennstoffzellenstapel sowie eine Vorrichtung zu dessen Durchführung.
2. Stand der Technik
Bei einer Brennstoffzelle handelt es sich um eine Art Stromerzeugungsvorrichtung, die die chemische Energie eines Brennstoffs nicht durch Verbrennung in Wärme, sondern durch eine elektrochemische Reaktion in einem Stapel in elektrische Energie umwandelt, und die nicht nur zur Stromversorgung für Industrie und Haushalt sowie für den Antrieb eines Kraftfahrzeugs eingesetzt werden kann, sondern auch um ein kleines elektrisches/elektronisches Produkt, insbesondere ein tragbares Gerät, mit Strom zu versorgen.
Gegenwärtig wird als Stromversorgungsquelle für den Antrieb eines Kraftfahrzeugs vornehmlich eine Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle) untersucht, die über die höchste Leistungsdichte unter den Brennstoffzellen verfügt. Die Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle weist aufgrund ihrer niedrigen Betriebstemperatur eine schnelle Startzeit sowie eine schnelle Reaktionszeit bei der Leistungsumwandlung auf.
Die Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle ist so ausgestaltet, dass sie eine Membran-Elektroden-Einheit enthält, in der Katalysatorelektrodenschichten, in denen elektrochemische Reaktionen erfolgen, auf beiden Seiten einer festen Polymerelektrolytmembran angebracht sind, durch welche sich Wasserstoffionen bewegen, des Weiteren Gasdiffusionsschichten, die zum gleichmäßigen Verteilen von Reaktionsgasen und zur Übertragung von erzeugter elektrischer Energie dienen, Dichtungen und Kopplungsvorrichtungen, die die Luftdichtheit der Reaktionsgase und eines Kühlmittels sowie eines geeigneten Kopplungsdrucks beibehalten, sowie Bipolarplatten, die die Reaktionsgase und das Kühlmittel bewegen.
Beim Zusammenbau eines Brennstoffzellenstapels unter Verwendung einer Elementarzelle der vorstehend beschriebenen Ausgestaltung wird die Kombination aus der Membran-Elektroden-Einheit und den Gasdiffusionsschichten, welche Hauptkomponenten sind, im innersten Teil der Zelle angeordnet. Bei der Membran-Elektroden-Einheit werden Katalysatoren auf die Katalysatorelektrodenschichten, aufgebracht, so dass Wasserstoff und Sauerstoff miteinander reagieren können d. h. eine Anode und eine Kathode auf beiden Oberflächen der Polymerelektrolytmembran und die Gasdiffusionsschichten, die Dichtungen usw. werden auf den Außenseiten der Anode und der Kathode gestapelt.
Auf den Außenseiten der Gasdiffusionsschichten sind die Bipolarplatten angeordnet, die mit Strömungsfeldern ausgebildet sind, über die die Reaktionsgase (Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff oder Luft als Oxidationsmittel) zugeführt werden und die das Kühlmittel durchströmt. Nach dem Stapeln einer Vielzahl an Elementarzellen, die jeweils die vorstehend beschriebene Ausgestaltung aufweisen, werden Stromabnehmer, Isolierplatten und Endplatten zur Unterstützung der gestapelten Zellen mit äußersten Abschnitten gekoppelt. Der Brennstoffzellenstapel wird gebildet, indem die Elementarzellen zwischen den Endplatten mehrfach gestapelt und gekoppelt werden.
Um das bei einem Kraftfahrzeug tatsächlich erforderliche Potential zu erhalten, sollten die Elementarzellen entsprechend dem erforderlichen Potential gestapelt werden. Der durch Stapeln der Elementarzellen gebildete Aufbau wird als Stapel bezeichnet. Das Potential, das durch eine Elementarzelle erzeugt wird, beträgt ungefähr 1,3 V. Um die für den Antrieb eines Kraftfahrzeugs erforderliche Energie zu erzeugen, wird deshalb eine Vielzahl an Zellen in Serie gestapelt.
Aus dem Patentdokument DE 11 2009 004 773 T5 ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, bei dem der Feuchtigkeitsgehalt einer Brennstoffzelle bestimmt wird, ohne eine Abweichung im Versorgungszustand mit Reaktionsgas zu verursachen, das der Brennstoffzelle zugeführt wird.
Die Druckschrift US 2009/0061263 A1 beschreibt ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zur Schätzung der Ausgabeeigenschaften einer Brennstoffzelle. Hierbei wird der Betriebszustand einer Brennstoffzelle durch Injektion eines Wechselstroms und durch Messung der Impedanz bestimmt. Der Wechselstrom, der in die Brennstoffzelle injiziert wird, weist dabei eine bestimmte Frequenz auf.
Der JP 2010-032490 A ist eine Vorrichtung zur Messung der Impedanz zu entnehmen, bei der ein Wandler aus Gleichstrom einen Wechselstrom erzeugt, aus dem durch einen Filter bestimmte Frequenzbereiche herausgefiltert werden. Dieser Wechselstrom wird in die Brennstoffzelle injiziert. Der Einfluss des Rauschens auf die Messergebnisse wird durch einen Komparator vermindert.
Ferner sind Vorrichtungen zum Diagnostizieren eines Fehlers eines Brennstoffzellenstapels bekannt, die im Nachfolgenden näher beschrieben sind. Ausgehend von diesem Stand der Technik und den damit verbundenen, ebenfalls näher beschriebenen Nachteilen, stellt sich der vorliegenden Erfindung das technische Problem, diese Nachteile zu vermeiden.
Die Lösung dieses technischen Problems erfolgt durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und durch ein Verfahren nach Anspruch 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen hierzu sind in den Unteransprüchen enthalten.
Zusammenfassung
Verschiedene Ausführungsformen betreffen ein Verfahren zur Erzeugung von Injektionsstrom für einen Brennstoffzellenstapel sowie eine Vorrichtung zu dessen Durchführung, bei welchen eine Hochspannungsbatterie anstelle einer üblichen Fahrzeugbatterie verwendet wird, so dass eine Verstärkung von nur einigen zehn Volt ausreicht, wenn der Gleichstrom einer Spannung, die einer Hochspannungsbatterie entspricht, verstärkt wird, wodurch eine Verringerung einer Übersetzung und somit eine Senkung der Kosten für Bauteile sowie eine Reduzierung des Volumens eines Stromkreises möglich sind.
Des Weiteren betreffen verschiedene Ausführungsformen ein Verfahren zur Erzeugung von Injektionsstrom für einen Brennstoffzellenstapel sowie eine Vorrichtung zu dessen Durchführung, bei welchen ein Fehler eines Brennstoffzellenstapels diagnostiziert werden, indem die Spannung des Brennstoffzellenstapels gemessen wird, noch bevor der Brennstoffzellenstapel Strom erzeugt, da eine Hochspannungsbatterie stets einen eingeschalteten Zustand beibehält, obwohl ein Kraftfahrzeug in einen ausgeschalteten Zustand wechselt.
Die durch die vorliegende Erfindung zu lösenden Aufgaben sind nicht auf die vorstehend beschriebenen Gegenstände beschränkt, und weitere nicht genannte Aufgaben können für einen Fachmann aus der nachfolgenden Beschreibung klar ersichtlich sein.
In einer Ausführungsform kann eine Vorrichtung zur Erzeugung von Injektionsstrom für einen Brennstoffzellenstapel umfassen: einen ersten Wandler, der so ausgestaltet ist, dass er Gleichstrom einer Spannung, die einer Hochspannungsbatterie entspricht, in Gleichstrom einer vorgegebenen Spannung umwandelt; einen zweiten Wandler, der so ausgestaltet ist, dass er den umgewandelten Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt; ein Filter, das so ausgestaltet ist, dass es ein Signal eines vorgegebenen Frequenzbandes aus dem umgewandelten Wechselstrom filtert; und ein Steuergerät, das so ausgestaltet ist, dass es eine Rückkopplungsregelung durchführt, damit der gefilterte Wechselstrom bei dessen Einspeisung in den Brennstoffzellenstapel ohne Verzerrung eingespeist werden kann.
Die Vorrichtung kann darüber hinaus einen Stromfühler umfassen, der so ausgestaltet ist, dass er in den Brennstoffzellenstapel eingespeisten tatsächlichen Wechselstrom dem Steuergerät bereitstellt.
Das Steuergerät kann eine Abweichung zwischen dem tatsächlichen Wechselstrom, der von dem Stromfühler empfangen wird, und einem Injektionswechselstrom überprüfen.
Das Steuergerät kann eine Amplitude des Injektionswechselstroms steuern, wenn die Überprüfung ergibt, dass die Abweichung zwischen dem tatsächlichen Wechselstrom und dem Injektionswechselstrom auftritt.
Das Steuergerät kann die Amplitude des Injektionswechselstroms erhöhen, wenn ein Wert des tatsächlichen Wechselstroms kleiner ist als ein Wert des Injektionswechselstroms.
Das Steuergerät kann die Amplitude des Injektionswechselstroms verringern, wenn ein Wert des tatsächlichen Wechselstroms größer ist als ein Wert des Injektionswechselstroms.
Die Hochspannungsbatterie kann zum Brennstoffzellenstapel parallel geschaltet sein.
Die Vorrichtung kann des Weiteren einen bidirektionalen Wandler umfassen, der so ausgestaltet ist, dass er die Spannung der Hochspannungsbatterie umwandelt und dem Brennstoffzellenstapel eine umgewandelte Spannung bereitstellt und eine Spannung des Brennstoffzellenstapels umwandelt und der Hochspannungsbatterie eine umgewandelte Spannung bereitstellt.
Der erste Wandler kann den Gleichstrom der Spannung, die der Hochspannungsbatterie entspricht, zu einer Spannung verstärken, die größer ist als die Spannung des Brennstoffzellenstapels.
Der zweite Wandler kann den umgewandelten Gleichstrom in den Wechselstrom umwandeln, indem er eine Pulsbreite des umgewandelten Gleichstroms steuert.
Das Filter kann den Wechselstrom in Form einer Sinuswelle erzeugen, indem es einen Bereich des umgewandelten Wechselstroms, der einer niedrigen Frequenz entspricht, passieren lässt und einen Bereich des umgewandelten Wechselstroms, der einer hohen Frequenz entspricht, blockiert.
In einer Ausführungsform kann ein Verfahren zur Erzeugung von Injektionsstrom für einen Brennstoffzellenstapel, das in einer Vorrichtung zur Erzeugung von Injektionsstrom für einen Brennstoffzellenstapel durchgeführt wird, umfassen: Umwandlung von Gleichstrom einer Spannung, die einer Hochspannungsbatterie entspricht, in Gleichstrom einer vorgegebenen Spannung; Umwandlung des umgewandelten Gleichstroms in Wechselstrom; Filtern eines Signals eines vorgegebenen Frequenzbandes aus dem umgewandelten Wechselstrom; und Durchführung einer Rückkopplungsregelung, damit der gefilterte Wechselstrom bei dessen Einspeisung in den Brennstoffzellenstapel ohne Verzerrung eingespeist werden kann.
Das Verfahren kann des Weiteren umfassen: Empfangen von tatsächlichem Wechselstrom, der in den Brennstoffzellenstapel eingespeist wird.
Die Durchführung der Rückkopplungsregelung zur Einspeisung des gefilterten Wechselstroms ohne Verzerrung umfasst: Überprüfung, ob eine Abweichung zwischen in den Brennstoffzellenstapel eingespeisten Injektionswechselstrom und dem tatsächlichen Wechselstrom auftritt.
Die Überprüfung, ob die Abweichung zwischen dem Injektionswechselstrom und dem tatsächlichen Wechselstrom auftritt, kann umfassen: Steuerung einer Amplitude des Injektionswechselstroms, wenn die Überprüfung ergibt, dass die Abweichung zwischen dem Injektionswechselstrom und dem tatsächlichen Wechselstrom auftritt.
Die Steuerung der Amplitude des Injektionswechselstroms kann umfassen: Erhöhen der Amplitude des Injektionswechselstroms, wenn ein Wert des tatsächlichen Wechselstroms kleiner ist als ein Wert des Injektionswechselstroms.
Die Steuerung der Amplitude des Injektionswechselstroms kann umfassen: Verringern der Amplitude des Injektionswechselstroms, wenn ein Wert des tatsächlichen Wechselstroms größer ist als ein Wert des Injektionswechselstroms.
Die Hochspannungsbatterie kann zum Brennstoffzellenstapel parallel geschaltet sein.
Das Verfahren kann des Weiteren umfassen: Umwandlung der Spannung der Hochspannungsbatterie und Bereitstellung einer umgewandelten Spannung an den Brennstoffzellenstapel; und Umwandlung einer Spannung des Brennstoffzellenstapels und Bereitstellung einer umgewandelten Spannung an die Hochspannungsbatterie.
Die Umwandlung des Gleichstroms in den Gleichstrom der vorgegebenen Spannung kann umfassen: Verstärken des Gleichstroms der Spannung, die der Hochspannungsbatterie entspricht, zu einer Spannung, die größer ist als die Spannung des Brennstoffzellenstapels.
Die Umwandlung des umgewandelten Gleichstroms in den Wechselstrom kann umfassen: Umwandlung des umgewandelten Gleichstroms in den Wechselstrom durch Steuerung einer Pulsbreite des umgewandelten Gleichstroms.
Das Filtern des Signals des vorgegebenen Frequenzbandes aus dem umgewandelten Wechselstrom kann umfassen: Erzeugung des Wechselstroms in Form einer Sinuswelle durch Passierenlassen eines Bereiches des umgewandelten Wechselstroms, der einer niedrigen Frequenz entspricht, und Blockieren eines Bereiches des umgewandelten Wechselstroms, der einer hohen Frequenz entspricht.
Besonderheiten weiterer Ausführungsbeispiele sind in einer ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen enthalten.
Vorteile und/oder Merkmale der vorliegenden Erfindung sowie Verfahren zum Erlangen derselben sind aus den nachfolgend ausführlich beschriebenen Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf nachfolgend offenbarte Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern wird in unterschiedlichen Formen verwirklicht. Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung offenbaren diese in umfassender Weise und dienen dazu, einem Fachmann den Umfang der vorliegenden Erfindung vollständig zu vermitteln. Daher wird die vorliegende Erfindung durch den Umfang der beigefügten Ansprüche festgelegt. In der gesamten Beschreibung kennzeichnen gleiche Ziffern gleiche Elemente.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zur Erzeugung von Injektionsstrom für einen Brennstoffzellenstapel gemäß einer Ausführungsform.
2 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zur Erzeugung von Injektionsstrom für einen Brennstoffzellenstapel gemäß einer Ausführungsform verdeutlicht.
3 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zur Erzeugung von Injektionsstrom für einen Brennstoffzellenstapel gemäß einer Ausführungsform verdeutlicht.
Ausführliche Beschreibung
Eine herkömmliche Vorrichtung zum Diagnostizieren eines Fehlers eines Brennstoffzellenstapels stellt fest, ob ein Fehler aufgetreten ist oder nicht, indem sie Wechselstrom in einen Brennstoffzellenstapel einspeist, die Spannung des Brennstoffzellenstapels ermittelt und unter Nutzung eines Analyseergebnisses eine gesamte harmonische Verzerrung berechnet.
Wenn sinusförmiger Wechselstrom verwendet wird, indem er einem Betriebsstrom hinzugefügt wird, werden die Spannung einer normalen Zelle in einem linearen Abschnitt und die Spannung einer abnormalen Zelle in einem nichtlinearen Abschnitt verändert. Der Strom des Brennstoffzellenstapels ist die Summe des Betriebsstroms und des sinusförmigen Wechselstroms.
Bei der Messung der Spannung des Brennstoffzellenstapels entsprechend dem Strom des Brennstoffzellenstapels weist die Spannung der normalen Zelle eine niedrige gesamte harmonische Verzerrung entsprechend einer Änderung eines Zellenstroms auf, wohingegen die Spannung der abnormalen Zelle eine große Amplitude und eine hohe gesamte harmonische Verzerrung entsprechend einer Änderung eines Zellenstroms aufweist.
Die gesamte harmonische Verzerrung wird gemessen als Summe der harmonischen Teilschwingungen gegenüber der Grundfrequenz des eingespeisten Wechselstroms. Die herkömmliche Vorrichtung zum Diagnostizieren eines Fehlers eines Brennstoffzellenstapels kann feststellen, ob ein Fehler aufgetreten ist oder nicht, indem sie die gesamte harmonische Verzerrung durch Frequenzanalyse der Spannung des Brennstoffzellenstapels berechnet und die Spannungen der Zellen diagnostiziert.
Die herkömmliche Vorrichtung zum Diagnostizieren eines Fehlers eines Brennstoffzellenstapels wird aus drei Hauptelementen gebildet, d. h. der Einspritzeinheit des Brennstoffzellenstapels, einer Einheit zum Messen der Spannung des Brennstoffzellenstapels sowie einer Fehlerdiagnoseeinheit.
Um einen Fehler des Brennstoffzellenstapels mittels einer gesamten harmonischen Verzerrung zu diagnostizieren, wird Wechselstrom in den Brennstoffzellenstapel eingespeist. Zur Erzeugung des Wechselstroms wird ein Vorgang ausgeführt, bei dem der Gleichstrom einer Spannung, die einer Fahrzeugbatterie entspricht, durch einen Gleichspannungswandler verstärkt wird. Allerdings kann aufgrund der Verwendung des Gleichspannungswandlers insofern ein Problem entstehen, als die Bauteile kostenaufwändig sind und sich das Volumen eines Stromkreises erhöht.
Um dieses Problem zu bewältigen, legen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ein Verfahren zur Erzeugung von Injektionsstrom für einen Brennstoffzellenstapel sowie eine Vorrichtung zu dessen Durchführung nahe, bei welchen eine Hochspannungsbatterie anstelle einer üblichen Fahrzeugbatterie verwendet wird, so dass eine Verstärkung von nur einigen zehn Volt ausreicht, wenn der Gleichstrom einer Spannung, die der Hochspannungsbatterie entspricht, verstärkt wird, wodurch eine Verringerung einer Übersetzung und somit eine Senkung der Kosten für Bauteile sowie eine Reduzierung des Volumens eines Stromkreises möglich sind.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben.
1 ist ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zur Erzeugung von Injektionsstrom für einen Brennstoffzellenstapel gemäß einer Ausführungsform.
Gemäß 1 umfasst eine Vorrichtung 100 zur Erzeugung von Injektionsstrom für einen Brennstoffzellenstapel einen Brennstoffzellenstapel 110, eine Hochspannungsbatterie 120, einen ersten Wandler 130, einen zweiten Wandler 140, ein Filter 150, einen Stromfühler 160 und ein Steuergerät 170.
Der Brennstoffzellenstapel 110 wird gebildet, indem eine Vielzahl an Elementarzellen fortlaufend angeordnet wird. Ein derartiger Brennstoffzellenstapel 110 erzeugt Gleichstrom, und ein von dem Steuergerät 170 gesteuerter Wechselstrom kann in den Brennstoffzellenstapel 110 eingespeist werden. Das heißt, um eine Kollision des von der Brennstoffzelle 110 erzeugten Gleichstroms und des in den Brennstoffzellenstapel 110 eingespeisten Wechselstroms zu verhindern, wird der in den Brennstoffzellenstapel 110 eingespeiste Wechselstrom durch das Steuergerät 170 gesteuert, damit dieser dem vom Stromfühler 160 zurückgeführten tatsächlichen Injektionsstrom gleichkommt. Ein solcher Vorgang wird weiter unten in Verbindung mit der Erläuterung des Steuergeräts 170 ausführlich beschrieben.
Die Spannung der Hochspannungsbatterie 120 kann höher oder niedriger festgelegt sein als die Spannung des Brennstoffzellenstapels 110. In den nachfolgenden Beschreibungen beziehen sich die Erläuterungen auf den Fall, dass die Spannung der Hochspannungsbatterie 120 niedriger festgelegt ist als die Spannung des Brennstoffzellenstapels 110.
In einer Ausführungsform kann die Hochspannungsbatterie 120 zum Brennstoffzellenstapel 110 parallel geschaltet sein. Der Grund, weshalb die Hochspannungsbatterie 120 zum Brennstoffzellenstapel 110 parallel geschaltet ist, liegt darin, dass, wenn ein Brennstoffzellenstapel durch die chemische Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff Elektrizität erzeugt, der von der Last benötigte Strom nicht umgehend unter Spitzenlastbedingungen, wie beispielsweise einer plötzlichen Beschleunigung und dergleichen, erzeugt werden kann und somit eine als zusätzliche Stromquelle dienende Batterie die Funktion hat, fehlenden Strom zu erzeugen.
In einer Ausführungsform verstärkt der erste Wandler 130 den Gleichstrom einer Spannung, die der Hochspannungsbatterie 120 entspricht, zu Gleichstrom einer vorgegebenen Spannung und stellt den Gleichstrom der verstärkten vorgegebenen Spannung dem zweiten Wandler 140 bereit.
Der erste Wandler 130 kann den Gleichstrom der Spannung, die der Hochspannungsbatterie 120 entspricht, zu einer Spannung (z. B. 550 V bis 600 V) verstärken, die dem Gleichspannungszwischenkreis der 1 entspricht. Bei dem ersten Wandler 130 kann es sich um einen Aufwärts-Gleichspannungswandler handeln. Mit anderen Worten: Der erste Wandler 130 kann den Gleichstrom der Spannung, die der Hochspannungsbatterie 120 entspricht, zu einer Spannung verstärken, die höher ist als die Spannung des Brennstoffzellenstapels 110.
Da eine Verstärkung von nur einigen zehn Volt für den ersten Wandler 130 ausreicht, wenn dieser den Gleichstrom der Spannung, die der Hochspannungsbatterie 120 entspricht, verstärkt, entstehen insofern Vorteile, als eine Verringerung einer Übersetzung möglich ist und somit die Kosten für Bauteile gesenkt und das Volumen eines Stromkreises reduziert werden können.
Der zweite Wandler 140 wandelt den durch den ersten Wandler 130 verstärkten Gleichstrom entsprechend der Steuerung des Steuergeräts 170 in Wechselstrom um und stellt den umgewandelten Wechselstrom dem Filter 150 bereit.
Wenn in einer Ausführungsform der von dem ersten Wandler 130 verstärkte Gleichstrom an den zweiten Wandler 140 weitergeleitet wird, kann der zweite Wandler 140 die Pulsbreite des Gleichstroms entsprechend der Steuerung des Steuergeräts 170 steuern und dadurch den Gleichstrom in den Wechselstrom umwandeln. Ein solcher zweiter Wandler 140 kann ein Gleichspannungs-Wechselspannungs-Wandler sein.
Damit der vom zweiten Wandler 140 umgewandelte Wechselstrom in Wechselstrom in Form einer Sinuswelle umgewandelt wird, ist es erforderlich, das Signal eines vorgegebenen Frequenzbandes zu filtern.
Zu diesem Zweck filtert das Filter 150 das Signal des vorgegebenen Frequenzbandes (z. B. 300 Hz), wenn der Wechselstrom vom zweiten Wandler 140 empfangen wird.
In einer Ausführungsform kann das Filter 150 den Wechselstrom in Form einer Sinuswelle erzeugen, indem es einen Bereich des Wechselstroms, der einer niedrigen Frequenz entspricht, passieren lässt und einen Bereich des Wechselstroms, der einer hohen Frequenz entspricht, blockiert. Ein solches Filter 150 kann ein Tiefpassfilter sein.
Der Stromfühler 160 erfasst den vom Filter 150 gefilterten und in den Brennstoffzellenstapel 110 eingespeisten Wechselstrom und stellt den erfassten Wechselstrom dem Steuergerät 170 bereit.
Wenn der tatsächliche Wechselstrom vom Stromfühler 160 empfangen wird, überprüft das Steuergerät 170, ob eine Abweichung zwischen dem tatsächlichen Wechselstrom und dem Injektionswechselstrom aufgetreten ist, und steuert entsprechend einem Prüfergebnis die Amplitude des Injektionswechselstroms. Das Steuergerät 170 führt einen solchen Vorgang mehrfach aus, bis keine Abweichung zwischen dem tatsächlichen Wechselstrom und dem Injektionswechselstrom auftritt.
In einer Ausführungsform, bei der der Wert des tatsächlichen Wechselstroms kleiner ist als der Wert des Injektionswechselstroms, kann das Steuergerät 170 den zweiten Wandler 140 steuern, um durch Erhöhen der Amplitude des Injektionswechselstroms eine Umwandlung in den Wechselstrom vorzunehmen. Indem das Steuergerät 170 den zweiten Wandler 140 steuert, um durch Erhöhen der Amplitude des Wechselstroms eine Umwandlung in den Wechselstrom vorzunehmen, wird somit der Wert des Injektionswechselstroms erhöht.
In einer Ausführungsform, bei der der Wert des tatsächlichen Wechselstroms größer ist als der Wert des Injektionswechselstroms, kann das Steuergerät 170 den zweiten Wandler 140 steuern, um durch Verringern der Amplitude des Injektionswechselstroms eine Umwandlung in den Wechselstrom vorzunehmen. Indem das Steuergerät 170 den zweiten Wandler 140 steuert, um durch Verringern der Amplitude des Wechselstroms eine Umwandlung in den Wechselstrom vorzunehmen, wird somit der Wert des Injektionswechselstroms verringert.
Die Vorrichtung 100 zur Erzeugung von Injektionsstrom für einen Brennstoffzellenstapel kann des Weiteren einen bidirektionalen Wandler umfassen. Wenn die Hochspannungsbatterie 120 und der Brennstoffzellenstapel 110 parallel geschaltet sind, wandelt der bidirektionale Wandler die Spannung der Hochspannungsbatterie 120 um und stellt die umgewandelte Spannung dem Brennstoffzellenstapel 110 bereit oder wandelt die Spannung des Brennstoffzellenstapels 110 um und stellt die umgewandelte Spannung der Hochspannungsbatterie 120 bereit.
In einer Ausführungsform, bei der die Spannung der Hochspannungsbatterie 120 dem Brennstoffzellenstapel 110 bereitgestellt wird, kann der bidirektionale Wandler die Spannung der Hochspannungsbatterie 120 verstärken und die verstärkte Spannung dem Brennstoffzellenstapel 110 bereitstellen.
In einer Ausführungsform, bei der die Spannung des Brennstoffzellenstapels 110 mittels regenerativer Bremsung angehoben wird, kann der bidirektionale Wandler die Spannung des Brennstoffzellenstapels 110 tiefsetzen und die tiefgesetzte Spannung der Hochspannungsbatterie 120 bereitstellen.
Indem die Spannung der Hochspannungsbatterie 120 niedriger als die Spannung des Brennstoffzellenstapels 110 festgelegt ist und der bidirektionale Wandler verwendet wird, der die Spannung der Hochspannungsbatterie 120 auf die Spannung des Brennstoffzellenstapels 110 anhebt, entstehen Vorteile dadurch, dass die Kosten der Hochspannungsbatterie 120 gesenkt werden können, da die Anzahl der Zellen der Hochspannungsbatterie 120 verringert wird.
Eine derartige Hochspannungsbatterie 120 behält stets einen eingeschalteten Zustand bei, obwohl das Kraftfahrzeug in einen ausgeschalteten Zustand wechselt. Demzufolge entstehen Vorteile dadurch, dass ein Fehler des Brennstoffzellenstapels 110 diagnostiziert werden kann, da eine Messung der Spannung des Brennstoffzellenstapels 110 möglich ist, noch bevor der Brennstoffzellenstapel 110 Strom erzeugt.
Anstelle der Hochspannungsbatterie 120 der 1 kann ein Superkondensator verwendet werden. Bei der Verwendung eines Superkondensators können dieser und der Brennstoffzellenstapel 110 parallel geschaltet sein, ohne dass ein bidirektionaler Wandler gesondert verwendet wird.
2 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zur Erzeugung von Injektionsstrom für einen Brennstoffzellenstapel gemäß einer Ausführungsform verdeutlicht.
Gemäß 2 verstärkt die Vorrichtung 100 zur Erzeugung von Injektionsstrom für einen Brennstoffzellenstapel den Gleichstrom einer Spannung, die einer Hochspannungsbatterie entspricht, und wandelt den Gleichstrom in den Gleichstrom einer vorgegebenen Spannung um (S210).
Die Vorrichtung 100 zur Erzeugung von Injektionsstrom für einen Brennstoffzellenstapel wandelt den umgewandelten Gleichstrom in Wechselstrom um (S220). In einer Ausführungsform des Schritts S220 kann die Vorrichtung 100 zur Erzeugung von Injektionsstrom für einen Brennstoffzellenstapel den Gleichstrom in den Wechselstrom umwandeln, indem sie die Pulsbreite des Gleichstroms steuert.
Die Vorrichtung 100 zur Erzeugung von Injektionsstrom für einen Brennstoffzellenstapel filtert das Signal eines vorgegebenen Frequenzbandes aus dem umgewandelten Wechselstrom (S230).
In einer Ausführungsform des Schritts S230 kann die Vorrichtung 100 zur Erzeugung von Injektionsstrom für einen Brennstoffzellenstapel Wechselstrom in Form einer Sinuswelle erzeugen, indem es einen Bereich des Wechselstroms, der einer niedrigen Frequenz entspricht, passieren lässt und einen Bereich des Wechselstroms, der einer hohen Frequenz entspricht, blockiert.
Die Vorrichtung 100 zur Erzeugung von Injektionsstrom für einen Brennstoffzellenstapel führt eine Rückkopplungsregelung durch, damit der gefilterte Wechselstrom bei dessen Einspeisung in einen Brennstoffzellenstapel ohne Verzerrung eingespeist werden kann (S240).
3 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren zur Erzeugung von Injektionsstrom für einen Brennstoffzellenstapel gemäß einer Ausführungsform verdeutlicht.
Gemäß 3 empfängt die Vorrichtung 100 zur Erzeugung von Injektionsstrom für einen Brennstoffzellenstapel den tatsächlichen Injektionsstrom eines Brennstoffzellenstapels von einem Stromfühler (S310). Die Vorrichtung 100 zur Erzeugung von Injektionsstrom für einen Brennstoffzellenstapel überprüft die Abweichung zwischen dem vom Stromfühler empfangenen tatsächlichen Wechselstrom und dem in den Brennstoffzellenstapel eingespeisten Wechselstrom (S320). Wenn die Überprüfung ergibt, dass die Abweichung zwischen dem tatsächlichen Wechselstrom und dem Wechselstrom aufgetreten ist (S330), steuert die Vorrichtung 100 zur Erzeugung von Injektionsstrom für einen Brennstoffzellenstapel die Amplitude des Wechselstroms (S340).
Wie aus den vorstehenden Beschreibungen ersichtlich ist, wird gemäß den Ausführungsformen eine Hochspannungsbatterie anstelle einer üblichen Fahrzeugbatterie verwendet, so dass eine Verstärkung von nur einigen zehn Volt ausreicht, wenn der Gleichstrom einer Spannung, die der Hochspannungsbatterie entspricht, verstärkt wird, wodurch eine Verringerung einer Übersetzung und somit eine Senkung der Kosten für Bauteile sowie eine Reduzierung des Volumens eines Stromkreises möglich sind.
Gemäß den Ausführungsformen kann ferner ein Fehler eines Brennstoffzellenstapels diagnostiziert werden, indem die Spannung des Brennstoffzellenstapels gemessen wird, noch bevor der Brennstoffzellenstapel Strom erzeugt, da eine Hochspannungsbatterie stets einen eingeschalteten Zustand beibehält, obwohl ein Kraftfahrzeug in einen ausgeschalteten Zustand wechselt.
Obgleich vorstehend konkrete Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden, können verschiedene Änderungen vorgenommen werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Demgemäß ist der Umfang der vorliegenden Erfindung nicht dahingehend auszulegen, dass er auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern ist durch die nachfolgenden Ansprüche sowie deren Entsprechungen festzulegen.
Obgleich die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele und die beigefügten Zeichnungen beschrieben wurde, ist sie nicht auf die vorstehend genannten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern kann von einem Fachmann, an den sich die vorliegende Erfindung richtet, auf verschiedene Weise verändert und abgewandelt werden. Daher sind Sinn und Umfang der vorliegenden Erfindung nur durch die nachfolgenden Ansprüche zu verstehen und sämtliche Entsprechungen und äquivalente Abwandlungen der Ansprüche als vom Sinn und Umfang der vorliegenden Erfindung erfasst anzusehen.

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung von Injektionsstrom für einen Brennstoffzellenstapel, umfassend: einen ersten Wandler, der so ausgestaltet ist, dass er Gleichstrom einer Spannung, die einer Hochspannungsbatterie entspricht, in Gleichstrom einer vorgegebenen Spannung umwandelt; einen zweiten Wandler, der so ausgestaltet ist, dass er den umgewandelten Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt; ein Filter, das so ausgestaltet ist, dass es ein Signal eines vorgegebenen Frequenzbandes aus dem umgewandelten Wechselstrom filtert; und ein Steuergerät, das so ausgestaltet ist, dass es eine Rückkopplungsregelung durchführt durch Überprüfung, ob eine Abweichung zwischen in den Brennstoffzellenstapel eingespeisten Injektionswechselstrom und dem tatsächlichen Wechselstrom auftritt, damit der gefilterte Wechselstrom bei dessen Einspeisung in den Brennstoffzellenstapel dem tatsächlichen Injektionsstrom gleichkommt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend: einen Stromfühler, der so ausgestaltet ist, dass er in den Brennstoffzellenstapel eingespeisten tatsächlichen Wechselstrom dem Steuergerät bereitstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Steuergerät eine Abweichung zwischen dem tatsächlichen Wechselstrom, der von dem Stromfühler empfangen wird, und einem Injektionswechselstrom überprüft.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Steuergerät die Amplitude des Injektionswechselstroms erhöht, wenn ein Wert des tatsächlichen Wechselstroms kleiner ist als ein Wert des Injektionswechselstroms und wobei das Steuergerät die Amplitude des Injektionswechselstroms verringert, wenn ein Wert des tatsächlichen Wechselstroms größer ist als ein Wert des Injektionswechselstroms.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Hochspannungsbatterie zum Brennstoffzellenstapel parallel geschaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, des Weiteren umfassend: einen bidirektionalen Wandler, der so ausgestaltet ist, dass er die Spannung der Hochspannungsbatterie umwandelt und dem Brennstoffzellenstapel eine umgewandelte Spannung bereitstellt und eine Spannung des Brennstoffzellenstapels umwandelt und der Hochspannungsbatterie eine umgewandelte Spannung bereitstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Wandler den Gleichstrom der Spannung, die der Hochspannungsbatterie entspricht, zu einer Spannung verstärkt, die größer ist als die Spannung des Brennstoffzellenstapels.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der zweite Wandler den Gleichstrom in den Wechselstrom umwandelt, indem er eine Pulsbreite des umgewandelten Gleichstroms steuert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Filter den Wechselstrom in Form einer Sinuswelle erzeugt, indem es einen Bereich des umgewandelten Wechselstroms, der einer niedrigen Frequenz entspricht, passieren lässt und einen Bereich des umgewandelten Wechselstroms, der einer hohen Frequenz entspricht, blockiert.
Verfahren zur Erzeugung von Injektionsstrom für einen Brennstoffzellenstapel, das in einer Vorrichtung zur Erzeugung von Injektionsstrom für einen Brennstoffzellenstapel durchgeführt wird, wobei das Verfahren umfasst: Umwandlung von Gleichstrom einer Spannung, die einer Hochspannungsbatterie entspricht, in Gleichstrom einer vorgegebenen Spannung; Umwandlung des umgewandelten Gleichstroms in Wechselstrom; Filtern eines Signals eines vorgegebenen Frequenzbandes aus dem umgewandelten Wechselstrom; und Durchführung einer Rückkopplungsregelung durch Überprüfung, ob eine Abweichung zwischen in den Brennstoffzellenstapel eingespeisten Injektionswechselstrom und dem tatsächlichen Wechselstrom auftritt, damit der gefilterte Wechselstrom bei dessen Einspeisung in den Brennstoffzellenstapel dem tatsächlichen Injektionsstrom gleichkommt.
Verfahren nach Anspruch 10, des Weiteren umfassend: Empfangen von tatsächlichem Wechselstrom, der in den Brennstoffzellenstapel eingespeist wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Überprüfung, ob die Abweichung zwischen dem Injektionswechselstrom und dem tatsächlichen Wechselstrom auftritt, umfasst: Erhöhen der Amplitude des Injektionswechselstroms, wenn ein Wert des tatsächlichen Wechselstroms kleiner ist als ein Wert des Injektionswechselstroms; und Verringern der Amplitude des Injektionswechselstroms, wenn ein Wert des tatsächlichen Wechselstroms größer ist als ein Wert des Injektionswechselstroms.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Hochspannungsbatterie zum Brennstoffzellenstapel parallel geschaltet ist.
Verfahren nach Anspruch 13, des Weiteren umfassend: Umwandlung der Spannung der Hochspannungsbatterie und Bereitstellung einer umgewandelten Spannung an den Brennstoffzellenstapel; und Umwandlung einer Spannung des Brennstoffzellenstapels und Bereitstellung einer umgewandelten Spannung an die Hochspannungsbatterie.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Umwandlung des Gleichstroms in den Gleichstrom der vorgegebenen Spannung umfasst: Verstärken des Gleichstroms der Spannung, die der Hochspannungsbatterie entspricht, zu einer Spannung, die höher ist als die Spannung des Brennstoffzellenstapels.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Umwandlung des umgewandelten Gleichstroms in den Wechselstrom umfasst: Umwandlung des Gleichstroms in den Wechselstrom durch Steuerung einer Pulsbreite des umgewandelten Gleichstroms.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Filtern des Signals des vorgegebenen Frequenzbandes aus dem umgewandelten Wechselstrom umfasst: Erzeugung des Wechselstroms in Form einer Sinuswelle durch Passierenlassen eines Bereiches des umgewandelten Wechselstroms, der einer niedrigen Frequenz entspricht, und Blockieren eines Bereiches des umgewandelten Wechselstroms, der einer hohen Frequenz entspricht.