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HINTERGRUND
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(a) Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Ansteuerungs-Steuerungsverfahren dafür und insbesondere ein Brennstoffzellensystem und ein Ansteuerungs-Steuerungsverfahren, das das Fahrverhalten eines Fahrzeugs und die Lebensdauer einer Brennstoffzelle verbessern kann.
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(b) Hintergrundtechnik
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Im Allgemeinen enthält ein Brennstoffzellenfahrzeug einen Brennstoffzellenstapel, in dem eine Mehrzahl Brennstoffzellen als Energiequelle gestapelt sind. Ein Brennstoffzufuhrsystem führt dem Brennstoffzellenstapel Wasserstoff und dgl. als Brennstoff zu. Ein Luftzufuhrsystem liefert den für eine elektrochemische Reaktion erforderlichen Sauerstoff als Oxidationsmittel. Ein Wasser- und Wärme-Managementsystem steuert die Temperatur des Brennstoffzellenstapels.
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Das Brennstoffzufuhrsystem entspannt den verdichteten Wasserstoff in einem Wasserstoffbehälter und führt ihn einer Anode des Brennstoffzellenstapels zu. Ein Luftzufuhrsystem liefert mittels eines Luftgebläses angesaugte externe Luft zu einer Katode des Brennstoffzellenstapels.
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Wenn Wasserstoff der Anode und Sauerstoff der Katode des Brennstoffzellenstapels zugeführt wird, werden in der Anode Wasserstoffionen durch eine katalytische Reaktion getrennt, und die getrennten Wasserstoffionen werden als Oxidationselektrode durch einen Elektrolytfilm zur Katode transportiert. Dabei reagieren die von der Anode getrennten Wasserstoffionen, die Elektroden und der Sauerstoff elektrochemisch in der Oxidationselektrode und erzeugen elektrischen Strom. Im Einzelnen wird der Wasserstoff in der Anode elektrochemisch oxidiert, und der Sauerstoff wird in der Katode elektrochemisch reduziert. Elektrischer Strom und Wärme werden durch die dabei entstehende Bewegung der Elektronen erzeugt, und Wasserdampf oder Wasser entsteht durch eine chemische Reaktion bei der Verbindung von Wasserstoff mit Sauerstoff.
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Eine Abführvorrichtung ist zum Ausleiten der Nebenprodukte wie Wasser Dampf, Wasser und Wärme vorgesehen, die bei der Erzeugung des elektrischen Stroms durch den Brennstoffzellenstapel anfallen und nicht mit Wasserstoff, Sauerstoff usw. reagieren. Die Gase wie Wasserdampf, Wasserstoff, Sauerstoff und dgl. werden durch einen Auslasskanal nach außen geleitet.
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Die Konfigurationen eines Luftgebläses, eines Wasserstoffrückführgebläses, einer Wasserpumpe und dgl. zum Betrieb einer Brennstoffzelle sind mit einem Hauptanschlussterminal zum einfachen Start der Brennstoffzelle gekoppelt. Verschiedene Relais zum Sperren und Anschließen der elektrischen Spannung und eine Diode zum Verhindern eines Sperrstroms zur Brennstoffzelle können mit dem Hauptanschlussterminal verbunden werden.
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Durch das Luftgebläse zugeführte trockene Luft wird in einem Befeuchter befeuchtet und dann zur Katode des Brennstoffzellenstapels geliefert. Das Austrittsgas von der Katode wird zum Befeuchter geliefert, während es durch das im Brennstoffzellenstapel erzeugte Wasser befeuchtet wird, und kann zum Befeuchten der durch das Luftgebläse der Katode zuzuführenden trockenen Luft verwendet werden.
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Ein Stopp oder Neustart der Brennstoffzelle, wenn die Energieerzeugung der Brennstoffzelle gestoppt wird, und Neustarts wenn erforderlich zur Verbesserung der Brennstoffeffizienz sowie ein Leerlauf-Stopp und eine Einschalt-/Abschaltsteuerung, wenn die Energieerzeugung der Brennstoffzelle im Brennstoffzellenfahrzeug vorübergehend gestoppt wird, sind ein wichtiges Thema.
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Vor allem bei Stoppen und Neustarten der Energieerzeugung der Brennstoffzelle während das Fahrzeug fährt, müssen Stoppen und Neustarten der Brennstoffzelle im Hinblick auf das Auftreten des Austrockens im Brennstoffzellenstapel, erneute Beschleunigung, Brennstoffeffizienz usw. gesteuert werden.
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Die obige Beschreibung der verwandten Technik dient nur dem besseren Verständnis des Hintergrunds der vorliegenden Offenbarung und ist nicht dahingehend auszulegen, dass sie in dem dem Fachmann bekannten Stand der Technik enthalten ist.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die vorliegende Offenbarung schlägt die Lösung der obigen dem Stand der Technik anhaftenden Probleme vor. Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung stellt ein Verfahren zum Steuern des Ansteuerns eines Brennstoffzellensystems bereit, das den Stopp der Energieerzeugung der Brennstoffzelle und der Ansteuerung steuert, wenn die Energieerzeugung der Brennstoffzelle gestoppt wird.
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Ein Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung kann das Stoppen der Energieerzeugung eines Brennstoffzellenstapels oder das Verlangsamen eines Luftgebläses, das Luft zum Brennstoffzellenstapel liefert, aufweisen. Der Verbindungszustand von mit einem Ventil verbundenen Leitungen wird durch Einstellen des zwischen der Austrittsseite des Luftgebläses und der Eintrittsseite einer Katode des Brennstoffzellenstapels angeordneten Ventils gesteuert.
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Der Trockenzustand des Brennstoffzellenstapels kann vor dem Schritt der Bestimmung des Verbindungszustands bestimmt werden.
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Der Verbindungszustand der Leitungen kann gemäß dem Bestimmungsergebnis gesteuert werden.
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Der Schritt des Steuerns des Verbindungszustands kann einen Schritt des Ausleitens der durch eine Umgehungsleitung, die zu den mit dem Ventil verbundenen Leitungen gehört, zur Austrittsseite der Katode aufweisen, wenn sich der Brennstoffzellenstapel auf Basis des Bestimmungsergebnisses im Trockenzustand befindet.
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Der Schritt des Steuerns des Verbindungszustands kann einen Schritt des Ausleitens der durch einen Umgehungsleitung zugeführten Luft, der zu den mit dem Ventil verbundenen Leitungen gehört, nach außen aufweisen, wenn sich der Brennstoffzellenstapel auf Basis des Bestimmungsergebnisses im Trockenzustand befindet.
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Das Luftgebläse wird auf verschiedene Weise, abhängig vom normalen oder anormalen Betrieb einer Batterie und ihrem Ladezustand, sowie dem normalen oder anormalen Betrieb eines DC/DC-Wandlers gestoppt, der die Batterie mit dem Brennstoffzellenstapel verbindet, nachdem den zugeführte Luft ausgeleitet worden ist.
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Das Luftgebläse kann regenerativ gestoppt werden, wenn die Batterie und der DC/DC-Wandler normal arbeiten und der Ladezustand der Batterie unter dem Referenz-Ladezustand liegt.
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Das Luftgebläse kann trägheitsgestoppt werden, wenn die Batterie nicht arbeitet, der Ladezustand der Batterie über dem Referenz-Ladezustand liegt, oder der DC/DC-Wandler, der die Batterie mit dem Brennstoffzellenstapel verbindet, defekt ist.
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Der Schritt des Steuerns des Verbindungszustands kann einen Schritt des Trägheitsbremsens des Luftgebläses aufweisen, wenn auf Basis des Bestimmungsergebnisses bestimmt wird, dass sich der Brennstoffzellenstapel im Überflutungszustand befindet.
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Das Brennstoffzellensystem kann gestoppt werden, wenn der der Katode gemäß dem Trägheitsbremsen des Luftgebläses zugeführte Luftdurchsatz einem Referenzwert entspricht.
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Ein Verfahren zum Steuern der Ansteuerung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann das Stoppen der Energieerzeugung eines Brennstoffzellenstapels oder das Verlangsamen des Luftgebläses, das dem Brennstoffzellenstapel Luft zuführt, aufweisen. Der Luftdurchsatz zum Brennstoffzellenstapel und der durch das Luftgebläse zugeführte Luftdurchsatz werden unabhängig durch Einstellen eines Ventils gesteuert, das zwischen der Austrittsseite des Luftgebläses und der Eintrittsseite der Katode des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist.
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Ein Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann einen Brennstoffzellenstapel mit einer Katode und eine Anode aufweisen. Ein Luftgebläse führt der Katode Luft zu. Ein Ventil ist zwischen der Austrittsseite eines Luftgebläses und der Eintrittsseite der Katode angeordnet. Eine Mehrzahl Leitungen sind mit dem Ventil verbunden. Eine Steuerung steuert durch Einstellen des Ventils den Verbindungszustand.
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Die Steuerung kann den Trockenzustand des Brennstoffzellenstapels bestimmen und den Verbindungszustand durch Einstellendes Ventils auf Basis des Bestimmungsergebnisses steuern.
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Das Ventil kann ein 3-Wege-Ventil sein, das mit der Austrittsseite des Luftgebläses, einem anderen Teil eines Umgehungsleitung verbunden ist, von dem ein mit der Austrittsseite der Katode und der Eintrittsseite der Katode verbunden ist.
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Die Steuerung kann das Ventil so einstellen, dass die zugeführte Luft durch eine Umgehungsleitung, die zu den mit dem Ventil verbundenen Leitungen gehört, zur Austrittsseite der Katode ausgeleitet wird, wenn bestimmt wird, dass sich der Brennstoffzellenstapel im Trockenzustand befindet.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die obigen und andere Merkmale der vorliegenden Offenbarung werden unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele, die in den beiliegenden Zeichnungen nur beispielhaft dargestellt sind, nachstehend ausführlich beschrieben und schränken somit die vorliegende Offenbarung nicht ein.
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1 ist ein Blockdiagramm eines Spannungsversorgungsnetzes für ein Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
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2 ist ein Blockdiagramm einer Konfiguration eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
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3 ist ein Flussdiagramm, das in zusammengefasster Form ein Ansteuerungs-Steuerungsverfahren eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung zeigt.
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4A und 4B sind Graphen, die schematisch Spannung, Strom und Drehzahl eines Luftgebläses in Abhängigkeit von der Zeit darstellen, wenn das Luftgebläse durch Trägheitsbremsen betrieben und die Luftzufuhr zu einer Katode mittels eines Ventils in einem Ansteuerungs-Steuerungsverfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung gesperrt wird.
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Es versteht sich, dass die beigefügten Zeichnungen nicht unbedingt maßstäblich sind, da sie eine etwas vereinfachte Darstellung der verschiedenen beispielhaften Merkmale der Offenbarung zeigen, die z. B. bestimmte Abmessungen, Ausrichtungen, Orte und Formen umfassen, die zum Teil durch die besondere vorgesehene Anwendung und die Umgebungsbedingungen am Einsatzort bestimmt werden.
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In den Figuren kennzeichnen identische Bezugszeichen gleiche oder äquivalente Teile der vorliegenden Erfindung in den verschiedenen Figuren der Zeichnung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Die Ausführungsformen gemäß einem Konzept der vorliegenden Erfindung können auf verschiedene Weise geändert werden und unterschiedliche Typen haben, und somit sind spezielle Ausführungsformen in den Zeichnungen dargestellt und werden in der Beschreibung erläutert. Jedoch sind die Ausführungsformen gemäß einem Konzept der vorliegenden Erfindung nicht auf die speziell offenbarten Typen beschränkt, so dass es sich versteht, dass alle Modifikationen und Äquivalente oder Ersetzungen innerhalb von Geist und Gültigkeitsbereich der vorliegenden Offenbarung erfasst sind.
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Obwohl Begriffe wie ”erster, erste, erstes”, ”zweiter, zweite, zweites” zur Beschreibung verschiedener Bauteile verwendet werden, sind die Bauteile durch diese Begriffe nicht eingeschränkt. Diese Begriffe dienen nur dazu, ein Bauteil gegenüber anderen Bauteilen zu unterscheiden, z. B. kann das erste Bauteil als zweites Bauteil und das zweite Bauteil als erstes Bauteil bezeichnet werden, ohne vom Gültigkeitsbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Wenn angegeben wird, dass ein Bauteil als mit einem anderen ”verbunden” oder ”mit einem anderen gekoppelt” ist, obwohl das eine Bauteil mit einem anderen Bauteil direkt verbunden oder direkt gekoppelt sein kann, versteht es sich auch, dass dazwischen andere Bauteile vorgesehen sein können. Wenn jedoch ein Bauteil mit einem anderen Bauteil als ”direkt verbunden” oder ”direkt gekoppelt” beschrieben wird, versteht es sich, dass dazwischen kein anderes Bauteil vorhanden ist. Die Begriffe zur Beschreibung von Beziehungen zwischen Bauteilen wie ”zwischen” und ”direkt zwischen” oder ”angrenzend” und ”direkt angrenzend” sind analog zu verstehen.
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Die hierin verwendete Terminologie hat den Zweck, nur bestimmte Ausführungsformen zu beschreiben und soll die Erfindung nicht einschränken. Wie hierin verwendet sollen die Singularformen” einer, eine, eines” und ”der, die, das” auch die Pluralformen umfassen, sofern nicht anderweitig angegeben. Außerdem versteht es sich, dass der Begriff ”aufweisen” und/oder ”haben” bei Verwendung in dieser Beschreibung das Vorhandensein angegebener Merkmale, ganzzahliger Größen, Schritte, Operationen und/oder Bauteile angibt, aber nicht das Vorhandensein oder das Hinzufügen eines oder mehrerer anderer Merkmale, ganzzahliger Größen, Schritte, Operationen, Elemente, Bauteile, Teile oder Gruppen derselben ausschließt, sofern der Zusammenhang nichts anderes angibt.
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Alle hierin verwendeten Begriffe einschließlich technischer oder wissenschaftlicher Begriffe haben die gleiche Bedeutung wie die, die dem Durchschnittsfachmann geläufig sind, an den sich die Ausführungsbeispiele wenden. Begriffe, die in allgemein verwendeten Wörterbüchern definiert sind, sollten in der gleichen Weise verstanden werden wie in Zusammenhang mit der einschlägigen Technologie und dürfen nicht in einer idealen oder übermäßig formalen Bedeutung interpretiert werden, sofern sie nicht eindeutig anderweitig definiert sind.
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Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, von denen Beispiele in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, ausführlich beschrieben. In den Zeichnungen kennzeichnen identische Bezugszeichen gleiche Bauteile.
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1 ist ein Blockdiagramm eines Spannungsversorgungsnetzes für ein Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
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Wie in 1 dargestellt ist, enthält ein Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung eine Brennstoffzelle 10 als Hauptenergiequelle und eine Hochspannungsbatterie 20 (Hauptbatterie) als Hilfsenergiequelle, die über einen Hauptanschlussterminal 11 parallel geschaltet sind. Ein bidirektionaler Hochspannungs-DC/DC-Wandler (BHDC) 21 ist mit der Hochspannungsbatterie 20 verbunden, der die Ausgangsspannung der Hochspannungsbatterie 20 steuert. Ein Inverter 31 ist mit dem Hauptanschlussterminal 11 als Ausgang der Brennstoffzelle 10 und der Hochspannungsbatterie 20 verbunden. Ein Antriebsmotor 32 ist mit dem Inverter 31 verbunden. Bei einer elektrischen Hochspannungslast 33 in einem Fahrzeug sind der Inverter 31 und der Antriebsmotor 32 nicht mit eingeschlossen. Eine Niederspannungsbatterie (Hilfsbatterie) 40, eine elektrische Niederspannungslast 41, und ein Niederspannungs-DC/DC-Wandler (LDC) 42 sind angeschlossen. Der LDC 42 ist mit dem Hauptanschlussterminal 11 verbunden, um die Hochspannung in die Niederspannung zu wandeln.
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Die Brennstoffzelle 10 als die Hauptenergiequelle für das Fahrzeug und die als Hilfsenergiequelle dienende Hochspannungsbatterie 20 sind mit einer entsprechenden Last im System wie den Inverter 31 oder den Antriebsmotor 32 über den Hauptanschlussterminal 11 parallel geschaltet. Der mit der Hochspannungsbatterie 20 verbundene BHDC 21 ist mit dem Hauptanschlussterminal 11 als dem Ausgang der Brennstoffzelle 10 verbunden und somit können die Ausgänge der Brennstoffzelle 10 und der Hochspannungsbatterie 20 gesteuert werden, indem die Spannung des BHDC 21 (Ausgangsspannung zum Hauptanschlussterminal) gesteuert wird.
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Eine Diode 13 ist zum Verhindern eines Sperrstroms geschaltet, und ein Relais 14 ist an einem Brennstoffzellenanschluss zum selektiven Verbinden der Brennstoffzelle 10 mit dem Hauptanschlussterminal 11 vorgesehen. Ein Relais 14 wird nicht nur dann in einem Verbindungszustand gehalten, wenn die Brennstoffzelle 10 normal angesteuert wird, sondern auch, wenn das Brennstoffzellensystem im Leerlaufstopp befindet oder neugestartet wird. Die Verbindung des Relais 14 wird nur dann aufgehoben, wenn das Fahrzeug abgeschaltet ist (normales Abschalten mit abgezogenem Zündschlüssel) oder anomal abgeschaltet ist.
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Außerdem ist der Inverter 31 für die Rotation des Antriebsmotors 32 mit den Ausgängen der Brennstoffzelle 10 und der Hochspannungsbatterie 20 über den Hauptanschlussterminal 11 verbunden, um den Antriebsmotor 32 durch eine phasengewandelte Spannung von der Brennstoffzelle 10 und/oder der Hochspannungsbatterie 20 anzusteuern.
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Der Antriebsmotor 32 wird entweder im Brennstoffzellenmodus, in dem nur der Ausgang (Strom) der Brennstoffzelle 10 genutzt wird, im Elektrofahrzeugmodus (EV), in dem nur der Ausgang der Hochspannungsbatterie 20 genutzt wird, oder im Hybridmodus, in dem der Ausgang der Brennstoffzelle 10 mit den Ausgang der Hochspannungsbatterie 20 kombiniert wird, angesteuert.
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Speziell wenn eine vorgegebene Bedingung für den Leerlaufstopp im Brennstoffzellensystem erfüllt ist, erfolgt eine Leerlaufstopp-Steuerung zum Abschalten der Energieerzeugung der Brennstoffzelle 10 durch Abschalten der Luftzufuhr. Das Fahrzeug fährt bis zum Neustart der Brennstoffzelle 10 im EV-Modus, in dem nur der Ausgang der Hochspannungsbatterie 20 genutzt wird, und der Antriebsmotor 32 wird vom Ausgang der Brennstoffzelle 10 angesteuert.
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Während das Fahrzeug im EV-Modus fährt, wird die Spannung der Hochspannungsbatterie 20 durch eine Spannungserhöhungssteuerung des mit einem Anschluss der Hochspannungsbatterie 20 verbundenen BHDC 21 in einem Zustand erhöht, in dem das Relais 14 ON ist, und die Energieerzeugung der Brennstoffzelle 10 wird abgeschaltet (die Luftzufuhr wird abgeschaltet), und die Lasten im Fahrzeug wir der Inverter 31 oder der Antriebsmotor 32 werden nur durch den Ausgang der Hochspannungsbatterie 20 angesteuert.
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Wenn außerdem eine vorgegebene Neustartbedingung nach dem Abschalten der Luftzufuhr erfüllt ist, wenn sich das Brennstoffzellensystem im Leerlaufstoff befindet, erfolgt ein Neustart der Brennstoffzelle durch Zufuhr von Luft. Wenn das Brennstoffzellensystem nach dem Neustart in den normalen Fahrmodus zurückkehrt, wird der Ausgang der Brennstoffzelle 10 gemäß der Fahrzeuglast gesteuert (lastabhängige Steuerung), während Luft normal zugeführt wird, und der Spannungserhöhungszustand des BHDC 21 wird aufgehoben.
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2 ist ein Blockdiagramm einer Konfiguration eines Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
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Wie in 2 dargestellt kann ein Brennstoffzellensystem 200 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthalten: einen Brennstoffzellenstapel 210; ein Luftabsperrventil 220 an der Eintrittsseite; ein Luftabsperrventil 225 an der Austrittsseite; ein Luftgebläse 230; ein 3-Wege-Ventil 240; eine Umgehungsleitung 250; einen Befeuchter 260; einen Wasserabscheider 270; ein Wasserstoffrückführgebläse 275; ein Wasserstoffzurfuhrventil 280; und eine Steuerung 290. Ferner kann ein Filter (nicht dargestellt) am vorderen Ende des Luftabsperrventils 220 an der Eintrittsseite vorgesehen sein, und ein Geräuschdämpfer (nicht dargestellt) kann zwischen dem Luftabsperrventil 220 und dem Luftgebläse 230 angeordnet sein. Ein Reinigungsventil und ein Ablassventil (nicht dargestellt) können ferner an der Austrittsseite einer Anode angeordnet sein.
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Hier sind einige der Bauteile des Brennstoffzellensystems 200 dem Fachmann allgemein bekannt, so dass auf ihre Beschreibung verzichtet wird.
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Der Brennstoffzellenstapel 210 enthält eine Katode und eine Anode, und das Luftgebläse 230 führt der Katode Luft zu. Das Ventil 240 ist ein 3-Wege-Ventil, von dem ein Teil mit dem Ausgang des Luftgebläses 230, ein anderer Teil mit der anderen Seite der Umgehungsleitung 250, wobei eine Seite mit dem Ausgang des Befeuchters 260 verbunden ist, und der letzte Teil mit dem Befeuchter 260 verbunden ist. Die Umgehungsleitung 250 kann zwischen dem Auslass des Befeuchters 260 und dem Ventil 240 und ferner zwischen dem Luftabsperrventil 225 und dem Ventil 240 verlaufen. Die durch die Umgehungsleitung 250 eingeleitete Luft kann durch eine der Katodenleitungen am hinteren Ende des Brennstoffzellenstapels 210 zum Luftabsperrventil 225 und nicht durch die Katodenkanäle im Brennstoffzellenstapel 210 strömen. Die Umgehungsleitung 250 kann direkt mit der Außenluft verbunden sein. Deshalb kann die durch die Umgehungsleitung 250 eingeleitete Luft in die Außenluft ausgeleitet werden. Außerdem kann die Umgehungsleitung 250 falls erforderlich mit der Austrittsseite der Katode verbunden sein, das heißt, nicht mit dem Austritt des Befeuchters 260, sondern mit dem Luftabsperrventil 225 an der Austrittsseite. Dabei kann die durch die Umgehungsleitung 250 eingeleitete Luft durch Steuern des Öffnungsgrades des Luftabsperrventils 225 in die Außenluft ausgeleitet werden.
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Die Steuerung des Zufuhrluftdurchsatzes mittels des Ventils 224 erfolgt, während das Brennstoffzellenfahrzeug gestoppt ist. Die dem Brennstoffzellenstapel 210 zuzuführende Luftmenge und die der Umgehungsleitung 250 durch Steuern des Öffnungsgrades des Ventils 224 zuzuführende Luftmenge können unabhängig gesteuert werden.
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Die Steuerung 290 kann mittels eines Bestimmers der relativen Luftfeuchte (RH) am Auslass des Brennstoffzellenstapels 210 oder durch Überwachen der Strom-Spannungskurve (IV) in Echtzeit bestimmen, ob der Brennstoffzellenstapel 210 ausgetrocknet ist, d. h., ob er sich in einem Trockenzustand oder in einem Überflutungszustand befindet.
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Die Steuerung 290 kann den Trockenzustand des Brennstoffzellenstapels 210 bestimmen und das Ventil 240 gemäß einem vorgegebenen Ergebnis bestimmen, um den Verbindungszustand der Leitungen zu steuern, wobei es sich um eine das Ventil 240 mit Katode verbindende Leitung und eine das Luftgebläse 230 und das Ventil 240 Leitung handelt, und um den Verbindungszustand der Umgehungsleitung 250 zu steuern, die den Auslass des Befeuchters 260 mit dem Ventil 240 verbindet.
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Genauer gesagt kann die Steuerung 290 das Ventil 240 steuern, wenn bestimmt wird, dass sich der Brennstoffzellenstapel 210 im Trockenzustand befindet, so dass die vom Luftgebläse 230 gelieferte Luft durch die Umgehungsleitung 250, die zu den mit dem Ventil 240 verbundenen Leitungen gehört und mit dem Auslass des Befeuchters 260 verbunden ist, nach außen geleitet wird.
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Wenn ferner die Umgehungsleitung 250 direkt mit der Außenluft und nicht mit der Austrittsseite der Katode verbunden ist, kann die Steuerung 290 das Ventil 240 so steuern, dass die Luftgebläse 230 gelieferte Luft nach außen geleitet wird. Das heißt, die Steuerung 290 sperrt die Luftzufuhr zur Katode ausgenommen des Flutungszustands des Brennstoffzellenstapels 210, um die Luftzufuhr zu minimieren, wenn die Drehzahl des Luftgebläse 230 vermindert wird, wodurch ein Austrocknen des Brennstoffzellenstapels 210 verhindert wird.
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Um die Luftzufuhr zur Katode zu sperren, kann die Steuerung 290 die Luftzufuhr zur Katode durch das 3-Wege-Ventil 240, das an der mit dem Einlass der Katode verbundenen Leitung angeordnet ist, sperren, während die Energieerzeugung der Brennstoffzelle abgeschaltet ist, wodurch die Energieerzeugungs-Totzeit der Katode minimiert wird. Im Fall des Brennstoffzellensystems 200 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung sind das 3-Wege-Ventil 240 und die damit verbundene Umgehungsleitung 250 getrennt vorgesehen, und somit kann die Steuerung 290 den Luftdurchsatz zur Katode und die durch das Luftgebläse 230 gelieferte Luft unabhängig steuern. Dementsprechend kann die Stärke des regenerativen Bremens des Luftgebläses 230 variabel gesteuert werden, um die Brennstoffeffizienz zu verbessern, indem die Energie-Rückgewinnungsrate maximiert wird. Ferner kann das Fahr-Ansprechverhalten bei häufigem Beschleunigen/Verzögern verbessert werden.
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Die Steuerung 290 kann den Luftdurchsatz zum Brennstoffzellenstapel 210 und die durch das Luftgebläse 230 geliefert Luft durch Einstellen des Ventils 240 unabhängig steuern.
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Außerdem kann das Luftgebläse 230 nicht nur im Energieerzeugungs-Abschaltzustand der Brennstoffzelle, sondern auch bei Verlangsamung des Luftgebläses 230 durch regeneratives Bremsen gestoppt werden, indem der Luftdurchsatz zur Katode zur Energierückgewinnung gesteuert wird. Bei einer herkömmlichen Konfiguration ohne Ventil 240, bei der sich der Brennstoffzellenstapel 210 im Trockenzustand befindet, ist regeneratives Bremsen unmöglich, selbst wenn das Luftgebläse 230 rasch verlangsamt werden muss, wenn sich die Batterie 20 und der DC/DC-Wandler 21 nicht in ihrem Normalzustand befinden. Das Luftgebläse 230 stoppt also durch Trägheitsbremsen, und es wird unnötig Luft zugeführt; als Ergebnis wird der Trockenzustand des Brennstoffzellenstapels 210 abgebaut. Gemäß der vorliegenden Offenbarung werden jedoch der Luftdurchsatz zur Katode des Brennstoffzellenstapels 210 und die durch das Luftgebläse 230 zugeführte Luft unabhängig gesteuert, um die obigen Nachteile zu beseitigen.
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Wenn außerdem gemäß der herkömmlichen Technik das regenerative Bremsen des Elektromotors 32 und das regenerative Bremsen des Luftgebläses 230 beim Stoppen mit regenerativem Bremsen nicht einheitlich gesteuert werden, ist es sehr wahrscheinlich, dass ein Verlust der Brennstoffeffizienz eintritt. Gemäß der vorliegenden Offenbarung kann jedoch der Luftdurchsatz zum Luftgebläse mit regenerativem Bremsen unabhängig gesteuert werden, wodurch die Rückgewinnungsrate des regenerativen Bremsens maximiert wird.
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Der Betrag des regenerativen Bremsens des Luftgebläses 230 kann niedriger eingestellt werden als ein Betrag, der sich ergibt, indem der Betrag des regenerativen Bremsens durch den Elektromotor 32 vom maximal ladbaren Energiebetrag der Hochspannungsbatterie 20 abgezogen und dann der von den elektronischen Lasten 33, 41 zu nutzende Energiebetrag addiert wird.
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Die Steuerung 290 kann das Luftgebläse 230 auf verschiedene Weise stoppen, nachdem die zuzuführende Luft entsprechend dem Ladezustand der Hochspannungsbatterie 20 nach außen geleitet worden ist, je nachdem, ob die Hochspannungsbatterie 20 normal arbeitet und ob der DC/DC-Wandler 21 zum Anschließen der Hochspannungsbatterie 20 an die Brennstoffzellenstapels 10, 210 normal arbeitet.
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Die Steuerung 290 kann das Luftgebläse 230 regenerativ stoppen, wenn die Hochspannungsbatterie 20 und der DC/DC-Wandler 21 normal arbeiten und der Ladezustand der Hochspannungsbatterie 20 unter einem Referenzwert liegt. Das heißt, die Steuerung 290 kann das Luftgebläse 230 zur Energierückgewinnung regenerativ bremsen, wenn die Hochspannungsbatterie 20 und der DC/DC-Wandler 21 normal arbeiten.
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Die Steuerung 290 kann das Luftgebläse 230 trägheitsbremsen, wenn die Hochspannungsbatterie 20 nicht arbeitet, der Ladezustand der Hochspannungsbatterie 20 über dem Referenzwert liegt, oder der DC/DC-Wandler 21 zum Anschließen der Hochspannungsbatterie 20 an die Brennstoffzellenstapel 10, 210 ausfällt.
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Außerdem kann die Steuerung 290 das Luftgebläse 230 trägheitsbremsen, wenn bei der Bestimmung des Trockenzustands des Brennstoffzellenstapels 210 bestimmt wird, dass sich der Brennstoffzellenstapel 210 im Überflutungszustand befindet. Das heißt, die Steuerung 290 kann das Luftgebläse 230 stoppen, wenn sich der Brennstoffzellenstapel 210 im Überflutungszustand befindet, wobei die Steuerung 290 das Luftgebläse 230 durch Trägheitsbremsen und nicht durch regeneratives Bremsen stoppt.
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Die Steuerung 290 kann das Ansteuern des Brennstoffzellensystems 200 stoppen, wenn der Luftdurchsatz zur Katode einem Referenzwert entsprechend dem Trägheitsstoppen des Luftgebläses 230 genügt. Das heißt, die Steuerung 290 kann es dem Brennstoffzellensystem ermöglichen, in den Brennstoffzellen-Stoppmodus zu gehen, wenn der Luftdurchsatz zur Katode geringer ist als der Referenz-Luftdurchsatz, um den Prozess der Brennstoffzellen-Energieerzeugung zu stoppen.
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3 ist ein Flussdiagramm eines Ansteuerungs-Steuerungsverfahrens eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Wie in den 2 und 3 dargestellt bestimmt die Steuerung 290 gemäß einem Ansteuerungs-Steuerungsverfahren (300) einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, ob sich der Brennstoffzellenstapel 210 nach dem Stoppen des Luftgebläses 230 (S301) im Trockenzustand (S303) befindet. Das Verfahren zur Bestimmung, ob sich der Brennstoffzellenstapel 210 im Trockenzustand befindet, kann mittels eines RH-Bestimmers für Luft am Auslass des Brennstoffzellenstapels ausgeführt werden. Die Bestimmung kann auch durch Überwachen einer Strom-Spannungskurve (IV) in Echtzeit erfolgen.
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Im Einzelnen kann eine Steuerung (nicht dargestellt) für einen Elektromotor eines Luftgebläses, die im Konzept in der Steuerung 290 enthalten ist, die Drehzahl des Luftgebläses 230 steuern, um dem Brennstoffzellenstapel 210 Luft zuzuführen und die Rotation des Luftgebläses 230 auf unterschiedliche Weise zu stoppen, je nachdem, ob sich der Brennstoffzellenstapel 210 im Trockenzustand befindet oder nicht, um die Luftzufuhr zum Brennstoffzellenstapel 210 zu stoppen. Wenn sich der Brennstoffzellenstapel 210 im Trockenzustand befindet, kann die Steuerung 290 die Luftzufuhr zur Katode des Brennstoffzellenstapels 210 stoppen und die vom Luftgebläse 230 durch die Umgehungsleitung 250 gelieferte Luft durch Einstellen des Öffnungsgrades des Ventils 240 zur Austrittsseite oder direkt in die Atmosphäre auszuleiten (S305).
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Die Steuerung 290 kann bestimmen, ob sich die Hochspannungsbatterie 20 und der DC/DC-Wandler 21 im Normalzustand befinden (S309) und den Betrag des regenerativen Bremsens des Luftgebläses 230 bestimmen, wenn die Hochspannungsbatterie 20 und der DC/DC-Wandler 21 normal arbeiten, und das Luftgebläse 230 durch regeneratives Bremsen stoppen (S311). Die Steuerung kann die Luftzufuhr zur Katode durch das Ventil 240 sofort sperren. Demnach kann verhindert werden, dass der Brennstoffzellenstapel 210 weiter durch externe Luft ausgetrocknet wird. Ferner kann Energie durch das Ansteuern des regenerativen Bremsens des Luftgebläses zum Verbessern der Brennstoffeffizienz wiedergewonnen werden.
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Wenn sich die Hochspannungsbatterie 20 und der DC/DC-Wandler 21 nicht im Normalzustand befinden, kann die Steuerung 290 das Luftgebläse 230 trägheitsstoppen (S313). Selbst in diesem Fall wird jedoch die Luftzufuhr zur Katode sofort durch das Ventil 240 abgesperrt, und die Luft vom Luftgebläse 230 wird zu mindestens einer zu den Leitungen der Katode gehörenden Leitungen am hinteren Ende des Brennstoffzellenstapels 210 oder durch die Umgehungsleitung 250 ausgeleitet, ohne die Katodenkanäle im Brennstoffzellenstapel 210 zu passieren, wodurch der Trockenzustand des Brennstoffzellenstapels 210 verhindert wird.
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Die Steuerung 290 kann erneut bestimmen, ob sich der Brennstoffzellenstapel 210 im Überflutungszustand befindet (S307), wenn sich der Brennstoffzellenstapel 210 nicht im Trockenzustand befindet. Wenn sich der Brennstoffzellenstapel 210 im Überflutungszustand befindet, kann die Steuerung 290 das Luftgebläse 230 durch Trägheitsbremsen ansteuern und das Luftgebläse 230 durch Trägheitsbremsen stoppen (S315). Das heißt, die Steuerung kann das Luftgebläse 230 so steuern, dass es nur durch Trägheit gestoppt wird, ohne Ansteuerung durch regeneratives Bremsen. Beim Ansteuern mit Trägheitsbremsen, kann eine Beschleunigungsleistung durch die Trägheitsdrehzahl sichergestellt werden, wenn eine Zelle beschleunigt wird. Das heißt, beim Ansteuern mit Trägheitsbremsen kann das Luftgebläse 230 allmählich gestoppt werden und somit die Drehzahl des Luftgebläses 230 rasch von der Drehzahl des Luftgebläses 230 aus ansteigen, wenn ein erneuter Betrieb einer Brennstoffzelle erforderlich ist.
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Wenn sich der Brennstoffzellenstapel 210 auf Basis der Bestimmung, ob sich der Brennstoffzellenstapel 210 im Überflutungszustand befindet, nicht im Überflutungszustand befindet, kann die Steuerung 290 den Öffnungsgrad des Ventils 240 steuern. In dem Fall, in dem sich der Brennstoffzellenstapel 210 im Trockenzustand befindet, wird die durch das Luftgebläse 230 gelieferte Luft durch die mit mindestens einer Leitung der Katodenleitungen verbundenen Umgehungsleitung 250 am hinteren Ende des Brennstoffzellenstapels 210 (S305) nach außen oder in die Umgebungsluft und nicht zur Leitung an der Austrittsseite der Katode ausgeleitet. Die folgenden Prozeduren sind identisch, wenn sich der Brennstoffzellenstapel 230 im Trockenzustand befindet.
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Selbst wenn sich der Brennstoffzellenstapel 210 im Trockenzustand befindet und das Luftgebläse 230 also regeneratives Bremsen angesteuert wird, kann die Steuerung 290 das Luftgebläse 230 mit Trägheitsbremsen ansteuern, wenn die Hochspannungsbatterie 20 oder der DC/DC-Wandler 21 zur Rückgewinnung der regenerativen Bremsenergie nicht normal arbeiten, oder der Ladezustand (SOC) der Hochspannungsbatterie 20 den Referenz-SOC deutlich überschreitet, und somit ist das regenerative Bremsen begrenzt.
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Wenn der Luftdurchsatz des Brennstoffzellenstapels 210 aufgrund des Stopps des Luftgebläses 230 unter einem Referenzwert liegt, kann die Steuerung 290 den Betrieb des Brennstoffzellensystems stoppen (S319). Dabei kann der Betriebsmodus, in dem die Brennstoffzelle gestoppt wird, als Brennstoffzelle-Stoppmodus bezeichnet werden.
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Die 4A und 4B sind Graphen, die Schwankungen von Spannung, Strom und Drehzahl eines Luftgebläse in Abhängigkeit von der Zeit schematisch darstellen, wenn das Luftgebläse mit Trägheitsbremsen angesteuert wird, und wenn die durch das Luftgebläse zugeführte Luft gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung umgeleitet wird. Aus den 2, 4A und 4B ist zu ersehen, dass die Drehzahl (rpm) des Luftgebläses entsprechend eines Rotationsbefehls von der Steuerung 290 an das Luftgebläse 230 gesteuert wird. Die Drehzahl des Luftgebläses sinkt selbst bei einem Rotations-Stoppbefehl an das Luftgebläse langsam, wenn das Luftgebläse mit Trägheitsbremsen angesteuert wird. Dann fällt die Drehzahl des Luftgebläses entsprechend dem Rotations-Stoppbefehl an das Luftgebläse rasch ab, wenn die durch das Ventil 24 zugeführte Luft nach außen ausgeleitet wird (4B). Wenn wie in 4A dargestellt das Luftgebläse mit Trägheitsbremsen angesteuert wird, wird trockene Luft in den Brennstoffzellenstapel eingeleitet, um so die Feuchte des Brennstoffzellenstapels zu mindern. Andererseits kann eine Beschleunigung unter Ausnutzung der Drehzahl des Luftgebläses sichergestellt werden, wenn das Luftgebläse erneut entsprechend dem allmählichen Abnehmen der Drehzahl des Luftgebläses beschleunigt wird. Wenn sich der Brennstoffzellenstapel dabei im Trockenzustand befindet, wird die vom Luftgebläse 230 gelieferte Luft nach außen ausgeleitet, wodurch ein Austrocknen des Brennstoffzellenstapels 210 durch eingeleitete Lust verhindert wird.
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Gemäß dem Brennstoffzellensystem und dem Verfahren zum Steuern des Ansteuern desselben der vorliegenden Offenbarung kann die Dauer, während der die Unterbrechungsspannung (OCV) gehalten wird, verkürzt und das Austrocknen des Brennstoffzellenstapels verhindert werden, um die Lebensdauer der Brennstoffzelle zu verbessern.
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Ferner kann die erneute Beschleunigung des Brennstoffzellenfahrzeugs verbessert werden, wenn das Fahrzeug nach dem Stoppen der Energieerzeugung der Brennstoffzelle wieder beschleunigt wird.
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Ferner kann ein Verlust der Brennstoffeffizienz durch Energierückgewinnung mittels regenerativen Bremsens eines Luftgebläses minimiert werden.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen ausführlich beschrieben worden. Der Fachmann erkennt jedoch, dass Änderungen dieser Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne von den Prinzipien und dem Geist der Erfindung abzuweichen, deren Gültigkeitsbereich in den beigefügten Ansprüchen und ihren Äquivalenten definiert ist.
