DE102014224890A1 - Betriebssteuerverfahren und Betriebssystem für ein Brennstoffzellen-System - Google Patents

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Abstract

Ein Betriebssteuersystem und Verfahren für ein Brennstoffzellensystem werden bereitgestellt. Das Betriebssteuerverfahren weist das Bestimmen, durch eine Steuerung, wenn ein Brennstoffzellenstapel einen Wassermangel aufweist, basierend auf einer Überversorgung von Luft zu dem Brennstoffzellenstapel oder einer Verschlechterung des Brennstoffzellenstapels auf. Ein Diagnoselevel wird dem Brennstoffzellensystem dann zugewiesen und zumindest ein Regenerationsfahrmodus, welcher dem zugewiesenen Diagnoselevel entspricht, wird durchgeführt.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Betriebssteuerverfahren und ein Betriebssystem für ein Brennstoffzellensystem und insbesondere auf ein Brennstoffzellenstapelstatus basiertes Betriebssteuerverfahren mit einem variablen Wiederherstellungsmodus.
  • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • Ein Brennstoffzellensystem, welches auf ein Wasserstoffkraftstofffahrzeug anwendbar ist, welches eine Art von umweltfreundlichem Fahrzeug ist, besteht aus einem Brennstoffzellenstapel, welcher ausgebildet ist, elektrische Leistung aus einer elektrochemischen Reaktion eines Reaktionsgases zu erzeugen; einem Wasserstoffbereitstellungssystem, welches ausgebildet ist, Wasserstoff als Kraftstoff an den Brennstoffzellenstapel bereitzustellen; einem Luftversorgungssystem, welches ausgebildet ist, Gas, welches Sauerstoff als Oxidant für die elektrochemischen Reaktionen aufweist, bereitzustellen; und einem Hitze- und Wasser-Managementsystem, welches ausgebildet ist, Wasser zu regeln und eine optimale Brennstoffzellenstapeltemperatur zum Fahren beizubehalten, indem Hitze ausgestrahlt wird, welche ein Beiprodukt der elektrochemischen Reaktion ist.
  • In solch einem Fahrzeug-Brennstoffzellensystem, wenn die Brennstoffzelle als alleinige Leistungsquelle für das Fahrzeug genutzt wird, nimmt dieses alle Lasten des Fahrzeugs auf und daher zeigt das Fahrzeug eine schwache Leistung in Betriebsbereichen, in welchen die Brennstoffzelle an Effizienz verliert. Zusätzlich kann die Fahrzeugleistung in einem Moment einer plötzlichen starken Leistungsbeanspruchung, welche dem Fahrzeug auferlegt wird, verringert werden, da die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle sich schnell verringern kann und der Antriebsmotor nicht mit genügend elektrischer Leistung versorgt werden kann. Es ist bekannt, dass Brennstoffzellen nicht mit schnellen Lastwechseln zurechtkommen, da diese eine chemische Reaktion nutzen, um elektrische Energie zu erzeugen.
  • Ferner, da eine Brennstoffzelle einen unidirektionalen Ausgang hat, kann Energie, welche beim Antreiben des Motors durch ein Bremsen des Fahrzeugs erzeugt wird, nicht wiedergewonnen werden, was zu einer Verringerung der Effizienz des Fahrzeugsystems führt. Als eine Lösung dieses Problems kann zusätzlich zu einer Brennstoffzelle als Hauptleistungsquelle ein Energiespeichergerät, wie z. B. eine wiederaufladbare Hochspannungsbatterie oder ein Superkondensator (Supercap) als Hilfsleistungsquelle genutzt werden, um einen Antriebsmotor anzutreiben und um Teile zu versorgen, welche hohe Spannungsanforderungen haben.
  • Gleichzeitig ist ein Wasserstoffübergang (englisch: hydrogen crossover) ein Phänomen, bei welchem Wasserstoff, welcher in einer Anode vorhanden ist, direkt eine Elektrolytmembran passiert, ohne elektrische Energie zu erzeugen und mit dem Sauerstoff an der Kathode reagiert. Um die Wasserstoffübergangsrate zu reduzieren, sollte ein Druck an der Anode in einem Bereich geringer Leistung reduziert werden, während ein Druck an der Anode in einem Bereich hoher Leistung erhöht werden sollte. Eine Wasserstoffübergangsrate erhöht sich mit einer Erhöhung des Anodendrucks (z. B. Wasserstoffdruck). Da Wasserstoffübergang unerwünschte Effekte auf die Kraftstoffeffizienz und die Haltbarkeit einer Brennstoffzelle hat, ist es notwendig, den Anodendruck ordentlich zu steuern. Ein Wasserstoffablassventil wird in dem Stand der Technik verwendet, um die Stapelleistung sicherzustellen, indem Unreinheiten und kondensiertes Wasser ausgegeben werden; und ein Anodenausgang ist mit einem Wasserabscheider gekoppelt, wobei der Anodenausgang kondensiertes Wasser durch ein Ventil ausgibt, wenn die Menge des kondensierten Wassers ein vorgegebenes Level erreicht.
  • Um die Kraftstoffeffizienz zu erhöhen, was notwendig ist, während des Fahrens des Fahrzeugs (Brennstoffzellenstopp-/Brennstoffzellenneustart-Prozess), wurde ein Leerlauf-Stopp und Go-System zum temporären Stoppen der Erzeugung von Elektrizität durch die Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug verwendet. Durch das Stoppen und erneut Starten des Erzeugens von elektrischer Energie in der Brennstoffzelle während des Fahrens werden ein Austrocknen des Brennstoffzellenstapels durch Lufteinflüsse und eine Wiederbeschleunigung und eine Brennstoffeffizienz des Fahrzeugs gesteuert.
  • Ein System nach der bekannten Technik offenbart eine Verringerung der Luftzufuhr an den Brennstoffzellenstapel durch eine Luftumleitung durch einen Bypass, um zu verhindern, dass eine Brennstoffzelle in der Nähe einer Leerlaufspannung in einem Bereich geringer Last betrieben wird, gemeinsam mit einem erzwungenen Laden einer Batterie oder der Verwendung einer Hilfslast. Ein anderer entwickelter Stand der Technik bezieht sich auf ein Verfahren zum Laden einer Batterie durch einen erzwungenen Spannungsabfall an einem Brennstoffzellenstapel entsprechend der Lademenge der Batterie, wenn der Brennstoffzellenstapel bei im Wesentlichen hohen Temperaturen betrieben wird. Ferner zeigt ein anderer Stand der Technik ein Steuerverfahren für ein Brennstoffzellen-Hybridsystem, in welchem die Erzeugung von Elektrizität durch eine Brennstoffzelle in einem Bereich niedriger Leistung gestoppt wird und in welchem eine Brennstoffzelle nur unter einem bestimmten Spannungswert verwendet wird, wenn Elektrizität erzeugt wird, zum Zweck der Kraftstoffeffizienz.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Dementsprechend stellt die vorliegende Erfindung ein Betriebssteuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem bereit, in welchem ein Regenerationsfahrmodus entsprechend einem Zustand des Brennstoffzellenstapels ausgewählt wird.
  • Ein Betriebssteuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann aufweisen: Bestimmen, wenn ein Brennstoffzellenstapel einen Wassermangel aufweist, basierend auf einer Überversorgung von Luft an den Brennstoffzellenstapel oder einer Verschlechterung des Brennstoffzellenstapels; Zuweisen eines Diagnoselevels zu dem Brennstoffzellenstapel entsprechend dieser Bestimmung; und Ausführung mindestens eines Regenerationsfahrmodus, welcher dem zugewiesenen Diagnoselevel entspricht.
  • Der Zuweisungsprozess kann das Klassifizieren eines ersten Status als ein erstes Diagnoselevel aufweisen, wobei der erste Status ein Status ist, in welchem eine Überversorgung von Luft an den Brennstoffzellenstapel aufgrund eines Zusammenbruchs des Brennstoffzellensystems vorhergesagt wird. Das Zuweisen kann auch das Klassifizieren eines zweiten Status als zweiten Diagnoselevel aufweisen, wobei der zweite Status ein Status ist, in welchem vorhergesagt wird, dass der Brennstoffzellenstapel einen Wassermangel aufgrund einer Überversorgung mit Luft an den Brennstoffzellenstapel aufweist.
  • Der zweite Status kann basierend entweder auf einer Veränderung in der Überversorgung mit Luft an den Brennstoffzellenstapel zum Ausgeben eines aktuellen Verbrauchs des Brennstoffzellenstapels oder einer Veränderung von Restwasser in einer Kathode, welche aus einem geschätzten Wert für eine relative Luftfeuchtigkeit in der Kathode des Brennstoffzellenstapels berechnet wird, bestimmt werden. Der zweite Status kann ein Status sein, in welchem ein Wert, welcher basierend auf der Überversorgung mit Luft, welche die Differenz zwischen einer Menge an Luft, welche für den Ausgangsstromverbrauch des Brennstoffzellenstapels notwendig ist, und der Menge an Luft, welche dem Brennstoffzellenstapel bereitgestellt wird, berechnet wird, und eine Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels größer ist als ein erster Referenzwert.
  • Zusätzlich kann der zweite Status ein Status sein, in welchem ein Wert, welcher aus dem Verhältnis einer Menge an Luft, welche dem Brennstoffzellenstapel bereitgestellt wird, und einer Menge an Luft, welche für den Ausgangsstromverbrauch des Brennstoffzellenstapels notwendig ist, und eine Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels größer ist als ein erster Referenzwert. Der geschätzte Wert der relativen Feuchtigkeit in der Kathode des Brennstoffzellenstapels kann basierend auf Temperaturen an dem Kathodeneingang und -ausgang des Brennstoffzellenstapels, einer Menge an Luftfluss an dem Eingang des Brennstoffzellenstapels und einer Menge an Strom, welcher in dem Brennstoffzellenstapel erzeugt wird, erfasst werden. Die Veränderung von Restwasser kann basierend auf einer Menge von Wasserdampffluss in dem Kathodenausgang berechnet werden, wenn die relative Luftfeuchtigkeit in dem Kathodenausgang dem geschätzten Wert entspricht und wenn die relative Luftfeuchtigkeit in dem Kathodenausgang im Bereich zwischen 90% und 110% ist.
  • Die Menge an Wasserdampffluss in dem Kathodenausgang kann durch den Wasserdampfdruck in dem Kathodenausgang, einen Luftdruck in dem Kathodenausgang basierend auf einer Menge an Luftfluss an dem Eingang des Brennstoffzellenstapels, und einer Menge an Luftfluss in dem Eingang des Brennstoffzellenstapels berechnet werden. Der Prozess des Zuweisens eines Diagnoselevels kann das Zuweisen eines dritten Diagnoselevels zu dem Brennstoffzellensystem aufweisen, wenn eine Verschlechterung des Brennstoffzellenstapels sich zu einem dritten Status entwickelt, aufgrund eines Wassermangels, wie diagnostiziert in Bezug auf Strom und Spannung, Impedanz oder Stromunterbrechung der Brennstoffzelle in dem Prozess des Bestimmens.
  • Der Regenerationsfahrmodus kann aufweisen einen Regenerationsfahrmodus zum forcierten Kühlen des Brennstoffzellenstapels durch Anpassen der Temperaturen an dem Kühleingang und -ausgang des Brennstoffzellenstapels, ein Regenerationsfahrmodus zum Beseitigen einer Bedingung zum Eintritt in einen Stoppmodus des Brennstoffzellensystems, einen Regenerationsfahrmodus zum Verringern einer Spannung an einem Hauptbusanschluss, welcher mit einem Ausgangsanschluss des Brennstoffzellenstapels gekoppelt ist, einen Regenerationsfahrmodus zum Reduzieren einer Menge von Luftzufluss und einen Regenerationsfahrmodus zum Betreiben des Brennstoffzellenstapels mit einem minimalen Stöchiometrieverhältnis (SR).
  • Der Regenerationsfahrmodus zum forcierten Kühlen des Brennstoffzellenstapels kann betrieben werden durch Setzen der Zieltemperatur an dem Kühleingang und -ausgang niedriger als eine Referenztemperatur. Der Regenerationsfahrmodus zum forcierten Kühlen des Brennstoffzellenstapels kann betrieben werden, wenn die Temperaturen an dem Kühleingang und -ausgang um einen vorgegebenen Offset größer sind als die aktuelle Temperatur. Der Regenerationsfahrmodus kann durch Variieren der vorgegebenen Referenztemperatur und des Offsets, basierend auf dem zugewiesenen Diagnoselevel, betrieben werden. Die Bedingung für den Übergang in den Stoppmodus ist die, dass ein Brennstoffzellenfahrzeug mit einer Last versorgt wird, welche unter einem vorgegebenen Referenzwert liegt, und einen Ladezustand (SOC) einer Batterie hat, welcher über einem vorgegebenen Ladezustandswert liegt; und der Regenerationsfahrmodus zum Beseitigen einer Bedingung für den Übergang in den Stopp besteht darin, den vorgegebenen Referenzwert zu erhöhen und den vorgegebenen Ladezustandswert zu verringern.
  • Der Brennstoffzellenstapel kann in einem Regenerationsfahrmodus betrieben werden, in welchem der vorgegebene Referenzwert erhöht wird und der vorgegebene Ladezustand verringert wird basierend auf dem bestimmten Diagnoselevel. Wenn der Brennstoffzellenstapel in dem Regenerationsfahrmodus zum Verringern der Spannung an dem Hauptbusanschluss, welcher mit einem Ausgangsanschluss des Brennstoffzellenstapels gekoppelt ist, betrieben wird, kann eine Steuerung ausgebildet sein, zu bestimmen, ob es möglich ist, die Batterie zu laden, bevor mit dem Regenerationsfahren begonnen wird; und wobei der Brennstoffzellenstapel in dem Regenerationsfahrmodus betrieben werden kann zum Verringern einer Spannung an dem Hauptbusanschluss, um eine obere Grenze einer Fahrspannung an dem Hauptbusanschluss zu verringern, wobei verhindert werden kann, dass eine Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels geringer wird als ein vorgegebener Ausgangsleistungswert.
  • Der Brennstoffzellenstapel kann in dem Regenerationsfahrmodus zum Verringern der Spannung des Hauptbusanschlusses, welcher an den Ausgangsanschluss des Brennstoffzellenstapels gekoppelt ist, basierend auf dem bestimmten Diagnoselevel sogar während eines regenerativen Bremens betrieben werden. Wenn der Ladezustand (SOC) der Batterie größer ist als ein vorgegebener SOC in dem Prozess des Bestimmens, ob es möglich ist, die Batterie zu laden, bevor das Regenerationsfahren durchgeführt wird, kann der Brennstoffzellenstapel betrieben werden, einen Hochspannungsheizer, welcher mit dem Ausgangsanschluss des Brennstoffzellenstapels gekoppelt ist, zu betreiben.
  • Wenn der Brennstoffzellenstapel in dem Regenerationsfahrmodus zum Verringern der Spannung des Hauptbusanschlusses, welcher mit dem Ausgangsanschluss des Brennstoffzellenstapels gekoppelt ist, betrieben wird, kann eine obere Spannungsgrenze für den Hauptbusanschluss, welcher mit dem Ausgangsanschluss des Brennstoffzellenstapels gekoppelt ist, basierend auf dem bestimmten Diagnoselevel verringert werden. Wenn der Brennstoffzellenstapel in einem Regenerationsfahrmodus zum Verringern einer Menge von Luftfluss betrieben wird, kann die Menge an Luftzufluss verringert werden, basierend auf dem bestimmten Diagnoselevel.
  • Der Regenerationsfahrmodus, welcher dazu gedacht ist, den Brennstoffzellenstapel mit einem minimalen Stöchiometrieverhältnis (SR) zu betreiben, dient dazu, einen Steuerbereich des Stöchiometrieverhältnisses basierend auf einer relativen Feuchtigkeit in der Kathode des Brennstoffzellenstapels zu verringern, welche basierend auf Temperaturen an dem Kathodeneingang und -ausgang des Brennstoffzellenstapels der Menge an Luftzufluss in den Eingang des Brennstoffzellenstapels und dem erzeugten Strom des Brennstoffzellenstapels bestimmt wird. Wenn der Brennstoffzellenstapel in dem Regenerationsfahrmodus für ein minimales Stöchiometrieverhältnis (SR) betrieben wird, kann der Stöchiometrie-Steuerbereich basierend auf dem bestimmten Diagnoselevel verringert werden. Der Brennstoffzellenstapel kann in einem Betriebsmodus aus der Vielzahl von Betriebsmodi betrieben werden, welcher basierend auf dem bestimmten Diagnoselevel ausgewählt wird.
  • Entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform eines Betriebssteuerverfahrens für ein Brennstoffzellensystem kann es möglich sein, den Brennstoffzellenstapel vor einem Austrocknen zu schützen und die Haltbarkeit des Brennstoffzellenstapels durch einen Regenerationsfahrprozess in einem Austrocknungszustand zu erhöhen. Zusätzlich können Leistungsverluste aufgrund von Problemen mit dem Brennstoffzellensystem oder einem Fahrmuster des Brennstoffzellenstapels verringert werden und eine anfängliche Fahrleistung kann konstanter gehalten werden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die oben genannten und andere Ziele, Merkmale oder Vorteile der vorliegenden Erfindung werden einfacher zu verstehen sein in Verbindung mit der folgenden Beschreibung zusammen mit den beiliegenden Figuren, von welchen:
  • 1 ein beispielhaftes Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
  • 2 eine beispielhafte Ansicht von Kriterien für den Betrieb eines Brennstoffzellensystems entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
  • 3 eine beispielhafte Ansicht eines Stopp- und Neustart-Prozesses eines Brennstoffzellensystems entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
  • 4 eine beispielhafte Ansicht eines Stopp- und Neustart-Prozesses eines Brennstoffzellensystems entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Bezug auf Änderungen in der Spannung und dem Strom über die Zeit ist;
  • 5 eine beispielhafte Tabelle, welche die Erkennung des Status durch Diagnoselevels zusammen mit den Gründen für den jeweiligen Status, welche in einem Betriebssteuerverfahren eines Brennstoffzellensystems entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung genutzt werden, zusammenfasst ist;
  • 6 eine beispielhafte schematische Darstellung, welche ein relatives Feuchtigkeitsschätzmodell in einem Betriebssteuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt ist;
  • 7 bis 10 beispielhafte Flussdiagramme für ein Betriebssteuerverfahren eines Brennstoffzellensystems entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind;
  • 11 eine beispielhafte Ansicht, welche den Regenerationsfahrmodus für das erzwungene Kühlen in einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt ist;
  • 12 eine beispielhafte Tabelle, welche den Regenerationsfahrmodus im Zusammenhang mit einem Status des Brennstoffzellenstapels entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt ist;
  • 13 eine beispielhafte Ansicht, welche schematisch die variable Stöchiometrieverhältnis-Steuerung an einem Lufteingang entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt ist; und
  • 14 beispielhafte Graphen, welche den Effekt einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Vergleich mit konventionellen Techniken zeigt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Es versteht sich, dass die Begriffe „Fahrzeug” oder „Fahrzeugs-” oder ähnliche Begriffe, wie sie hierin verwendet werden, Motorfahrzeuge im Allgemeinen, wie z. B. Passagierautomobilfahrzeuge einschließlich Sports Utility Vehicles (SUV), Busse, Lkw, verschiedene kommerzielle Fahrzeuge, Wasserfahrzeuge einschließlich einer Vielzahl von Booten und Schiffen, Flugzeuge und dergleichen einschließt und Hybridfahrzeuge, elektrische Fahrzeuge, Plug-in-Hybridelektrofahrzeuge, wasserstoffangetriebene Fahrzeuge und andere Alternativkraftstofffahrzeuge (z. B. Kraftstoffe, welche von anderen Ressourcen als Petroleum abgeleitet werden) umfassen. Wie hierin benutzt, bezeichnet ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, welches zwei oder mehr Leistungsquellen aufweist, z. B. sowohl ein benzingetriebenes als auch elektrisch getriebenes Fahrzeug.
  • Es versteht sich, dass beispielhafte Prozesse durch eine oder eine Vielzahl von Modulen durchgeführt werden können. Zusätzlich versteht sich, dass die Begriffe Steuerung/Steuereinheit sich auf eine Hardwarevorrichtung beziehen, welche einen Speicher und einen Prozessor aufweist. Der Speicher ist ausgebildet, die Module zu speichern, und der Prozessor ist spezifisch dazu ausgebildet, die Module auszuführen, um einen oder mehrere Prozesse auszuführen, welche im Folgenden beschrieben werden.
  • Ferner kann eine Steuerlogik gemäß der vorliegenden Erfindung als ein nichtflüchtiges computerlesbares Medium auf einem computerlesbaren Medium ausgebildet sein, welches ausführbare Programminstruktionen aufweist, welche durch einen Prozessor, eine Steuerung/Steuereinheit oder dergleichen ausgeführt werden. Beispiele des computerlesbaren Mediums weisen auf, sind aber nicht darauf beschränkt, ROM, RAM, Compact Disc(CD)-ROMs, magnetische Bänder, Disketten, Flashspeicher, Smartcards und optische Datenspeicher. Das computerlesbare Speichermedium kann also in Computersystemen, welche an ein Netzwerk gekoppelt sind, verteilt sein, sodass das computerlesbare Medium in einer verteilten Art und Weise gespeichert und ausgeführt wird, z. B. durch einen Telematik-Server oder ein Controller Area Network (CAN).
  • Die Terminologie, welche hierin verwendet wird, dient dem Zweck der Beschreibung spezieller Ausführungsformen und ist nicht dazu gedacht, die Erfindung zu beschränken. So wie hierin verwendet, umfassen die Singularformen „ein”, „eine”, „der, die, das” auch die Pluralformen, solange dies aus dem Kontext nicht deutlich anders ersichtlich ist. Es versteht sich ferner, dass die Begriffe „aufweisen” und/oder „aufweisend”, wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, das Vorhandensein von genannten Merkmalen, Elementen, Schritten, Operationen, Elementen und/oder Komponenten kennzeichnen, aber das Vorhandensein oder das Hinzufügen von einem oder mehreren weiteren Merkmalen, Elementen, Schritten, Operationen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen dieser selben nicht ausschließt. So wie hierin verwendet, schließt der Begriff „und/oder” eine und jede Kombination eines oder mehrerer der genannten Begriffe ein.
  • Solange nicht anders dargestellt oder aus dem Zusammenhang ersichtlich, bedeutet der Begriff „ungefähr” innerhalb eines normalen Toleranzbereichs, wie er bekannt ist, z. B. zweimal die Standardabweichung des Mittels. „Ungefähr” kann bedeuten innerhalb 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0,5%, 0,1%, 0,05% oder 0,01% des genannten Wertes. Solange nicht anders aus dem Zusammenhang ersichtlich, sind alle numerischen Werte, welche hierin genannt werden, als „ungefähr” zu verstehen.
  • Spezifische strukturelle und funktionale Beschreibungen in den beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, welche in der Beschreibung oder der Anmeldung offenbart werden, dienen lediglich der Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, welche in einer Vielzahl von Formen ausgeführt werden kann und sollen nicht als limitierend für Ausführungsformen, welche in der Beschreibung oder Anmeldung beschrieben sind, ausgelegt werden. Spezifische beispielhafte Ausführungsformen werden in den Figuren gezeigt und im Detail beschrieben in der Beschreibung oder der Anmeldung, weil die beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl von Formen aufweisen und Veränderungen aufweisen können. Es versteht sich jedoch, dass keine Intention besteht, die beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auf die spezifischen Ausführungsformen zu beschränken, die Intention ist, alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen, welche unter den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung fallen, abzudecken.
  • Auch wenn die Begriffe erster, zweiter etc. hierin zur Beschreibung verschiedener Elemente benutzt werden können, sind diese Elemente nicht als limitierend durch diese Begriffe anzusehen. Diese Begriffe dienen lediglich der Unterscheidung eines Elements von einem anderen. Zum Beispiel könnte ein erstes Element als ein zweites Element bezeichnet werden und gleichzeitig könnte ein zweites Element als ein erstes Element bezeichnet werden, ohne von dem Gegenstand der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass ein Element, welches bezeichnet wird als „verbunden” oder „gekoppelt” mit einem anderen Element direkt oder indirekt mit diesem gekoppelt sein kann, sodass dazwischen liegende Elemente vorhanden sein können. Im Gegensatz dazu, wenn ein Element bezeichnet wird als „direkt verbunden” oder „direkt gekoppelt” mit einem anderen Element, sind keine dazwischen liegenden Elemente vorhanden. Andere Wörter, welche zum Beschreiben des Verhältnisses zwischen Elementen verwendet werden, sollten in einer ähnlichen Art interpretiert werden (z. B. „dazwischen” vs. „direkt dazwischen”, „daneben liegend” gegenüber „direkt daneben liegend” etc.).
  • Solange nicht anders definiert, haben alle hierin verwendeten Begriffe (einschließlich technischer und wissenschaftlicher Begriffe) die Bedeutung, welche ihnen durch einen Fachmann üblicherweise zugewiesen wird, der auf dem Gebiet dieser Erfindung tätig ist. Es versteht sich ferner, dass Begriffe, so wie jene Begriffe, welche in üblichen Wörterbüchern definiert sind, interpretiert werden sollten mit derjenigen Bedeutung, welche mit deren Bedeutung im Zusammenhang mit dem relevanten technischen Gebiet übereinstimmt und nicht in einer idealisierten oder übermäßig formalen Art und Weise, außer es ist explizit anders definiert hierin.
  • Es wird nun Bezug genommen auf die Figuren, in welchen gleiche Bezugszeichen verwendet werden, um gleiche oder ähnliche Komponenten zu bezeichnen.
  • 1 ist ein beispielhaftes Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 1 gezeigt, kann ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug aufweisen: eine Brennstoffzelle 10 als Hauptleistungsquelle und eine Hochspannungsbatterie (Hauptbatterie) 20 als eine Hilfsleistungsquelle, welche miteinander über einen Hauptbusanschluss 11 parallel geschaltet sind; einen bidirektionalen DC/DC-Wandler (BHDC: Bidirektionaler Hochspannungs-DC/DC-Wandler) 21, welcher an die Hochspannungsbatterie 20 gekoppelt ist und ausgebildet ist, die Ausgangsleistung der Hochspannungsbatterie 20 anzupassen; einen Inverter 31, welcher an den Hauptbusanschluss 11 an der Ausgangsseite sowohl der Brennstoffzelle 10 als auch der Hochspannungsbatterie 20 gekoppelt ist; einen Antriebsmotor 32, welcher an den Inverter 31 gekoppelt ist; eine Hochspannungslast 33 innerhalb des Fahrzeugs, welche exklusiv für den Inverter 31 und den Antriebsmotor 32 vorhanden ist; eine Niederspannungsbatterie (Hilfsbatterie) 40 und eine Niederspannungslast 41; und einen Niederspannungs-DC/DC-Wandler (LDC) 42, welcher zwischen der Niederspannungsbatterie 40 und dem Hauptbusanschluss 11 gekoppelt ist und ausgebildet ist, eine Hochspannung in eine Niederspannung zu wandeln.
  • Hierin können sowohl die Brennstoffzelle 10 als Hauptleistungsquelle und die Hochspannungsbatterie 20 als Hilfsleistungsquelle über den Hauptbusanschluss 11 parallel geschaltet werden mit systeminternen Lasten, wie z. B. dem Inverter 31, dem Antriebsmotor 32 etc. Der bidirektionale DC/DC-Wandler 21, welcher mit der Hochspannungsbatterie gekoppelt ist, kann an den Hauptbusanschluss 11 an der Ausgangsseite der Brennstoffzelle 10 gekoppelt werden und kann daher die Ausgangsleistung sowohl der Brennstoffzelle 10 als auch der Hochvoltbatterie 20 anpassen, indem er eine Spannung des bidirektionalen DC/DC-Wandlers 21 anpasst (z. B. eine Ausgangsspannung an den Hauptbusanschluss).
  • Die Brennstoffzelle 10 kann an einem Ausgangsanschluss eine Diode 13 aufweisen, um einen Rückstrom zu verhindern und ein Relais 14 aufweisen, um die Brennstoffzelle 10 selektiv mit dem Hauptbusanschluss 11 zu koppeln. Das Relais 14 kann die Brennstoffzelle 10 an den Hauptbus während eines Stopp-/Neustart-Prozess des Brennstoffzellensystems ebenso anschließen, wie während eines Fahrens des Fahrzeugs unter normalen Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle 10, und es kann dazu ausgebildet sein, die Brennstoffzelle 10 von dem Hauptbus zu trennen, wenn das Fahrzeug abgeschaltet wird (normales Abschalten) oder in einer Notfallabschaltung. Zusätzlich kann der Inverter 31, welcher über den Hauptbusanschluss 11 an eine Ausgangsseite sowohl der Brennstoffzelle 10 als auch der Hochspannungsbatterie 20 gekoppelt ist, ausgebildet sein, den Antriebsmotor 32 durch phasengedrehte Ströme, welche von der Brennstoffzelle 10 und/oder der Hochspannungsbatterie 20 bereitgestellt werden, anzutreiben.
  • Der Antrieb des Antriebsmotors 32 in diesem Brennstoffzellensystem kann durch einen FC-Antriebsmodus, in welchem die Ausgangsleistung (Strom) der Brennstoffzelle 10 genutzt wird, und einen EV-Antriebsmodus, in welchem die Ausgangsleistung der Hochspannungsbatterie 20 genutzt wird, oder einen HEV-Antriebsmodus, in welchem die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 10 mit Unterstützung durch die Hochspannungsbatterie 20 genutzt wird, bereitgestellt werden. Insbesondere nach einem Stopp und Neustart in dem Brennstoffzellensystem, was stattfindet, bevor der Motor durch die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 10 angetrieben wird, ist der EV-Antriebsmodus dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmotor 32 und damit das Fahrzeug durch Ausgangsleistung der Hochspannungsbatterie 20 angetrieben werden, da die Erzeugung von Elektrizität durch die Brennstoffzelle 10 gestoppt ist.
  • In diesem EV-Antriebsmodus kann das Relais 14 ausgebildet sein, eingeschaltet zu sein, und die Erzeugung von Elektrizität aus der Brennstoffzelle 10 kann gestoppt sein, während eine Spannung an dem Hauptbusanschluss 11 durch eine Erhöhung einer Spannung der Hochspannungsbatterie 20 durch eine Steuerung des bidirektionalen DC/DC-Wandlers 21, welcher mit dem Ausgangsanschluss der Hochspannungsbatterie 20 gekoppelt ist, erhöht wird, wobei die Ausgangsleistung der Hochspannungsbatterie 20 genutzt wird, um Lasten in dem Fahrzeug zu betreiben, wie z. B. den Wandler 21, den Antriebsmotor 32 etc. Eine Luftzufuhr kann in dem Stopp des Brennstoffzellensystems angehalten werden und kann nach einem Neustart wiederaufgenommen werden. Wenn das Brennstoffzellensystem in einem normalen Antriebsmodus nach einem Neustart zurückkehrt, kann die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 10 durch eine nachfolgende Steuerung basierend auf einer Last des Fahrzeugs unter einer Bedingung normaler Luftzufuhr (lastfolgende Steuerung) gesteuert werden und ein Leistungserhöhungsstatus des bidirektionalen DC/DC-Wandlers 21 kann beendet werden.
  • 2 ist eine beispielhafte Ansicht von Kriterien für einen Betrieb eines Brennstoffzellensystems entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine Brennstoffzellensteuerung (nicht gezeigt) kann ausgebildet sein, den Stopp auszuführen, den Stopp zu verbieten, neuzustarten oder dergleichen durch einen Prozess des Erkennens eines Fahrzeugzustands (linke Seite) und eines Brennstoffzellenzustands (rechte Seite), wie in 2 gezeigt. Bezug nehmend auf 1 und 2 kann eine Brennstoffzellensteuerung ausgebildet sein, einen Brennstoffzellen-Ein-Zustand (z. B. Erzeugung von Elektrizität) und Aus-Zustand (z. B. Stoppen der Erzeugung von Elektrizität) basierend auf Fahrzeugstatusbedingungen zu erkennen, einschließlich der Last des Fahrzeugs und dem SOC der Hochspannungsbatterie 20, welche eine Hilfsleistungsquelle ist, während des Erkennens des Fahrzeugstatus. Zusätzlich kann die Brennstoffzellensteuerung ausgebildet sein, eine Bedingung für einen Stopp und das Verbieten eines Stopps und Neustarts basierend auf einer Bedingung, einem Notbetrieb der Brennstoffzelle 10, einer Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10, einem Anodendruck des Brennstoffzellenstapels 10, einem Kommunikationsstatus zwischen Steuerungen und basierend darauf, ob der Heizer in Betrieb ist (z. B. sind dies alle Brennstoffzellenstatusbedingungen) gesteuert werden.
  • Wenn sowohl die Brennstoffzellen-Aus-Bedingung in einem Prozess des Erkennens eines Fahrzeugstatus und eine Stopp-Bedingung in einem Prozess des Erkennens eines Brennstoffzellenstatus gleichzeitig erfüllt sind, kann durch die Steuerung der Stopp der Brennstoffzelle ausgeführt werden und wenn entweder ein Brennstoffzellen-Ein-Zustand in einem Prozess des Erkennens des Fahrzeugzustands oder eine Neustart-Bedingung für die Brennstoffzelle in einem Prozess des Erkennens eines Brennstoffzellenstatus erfüllt sind, kann durch die Steuerung ein Neustart der Brennstoffzelle durchgeführt werden.
  • In dem Prozess des Erkennens des Fahrzeugzustands, wie in 2 auf der linken Seite dargestellt, wird ein Hochlastzustand, in welchem die Last des Fahrzeugs größer ist als ein vorgegebener Referenzwert (z. B. ist der von der Brennstoffzelle benötigte Leistungsausgang größer als PIDLE_ON) wird eine Brennstoffzellen-Ein-Bedingung. Ferner kann in einem Fall eines niedrigen Lastzustandes, in welchem die Fahrzeuglast geringer ist als ein vorgegebener Referenzwert (z. B. ist die benötigte Last von der Brennstoffzelle geringer als PIDLE_ON), wenn der SOC der Hochspannungsbatterie 20 wesentlich größer ist als ein vorgegebener oberer Grenzwert (SOCHIGH) eine Brennstoffzellen-Aus-Bedingung, eine Stopp-Eintrittsbedingung erfüllt sein.
  • Wenn die Fahrzeuglast minimal ist, aber wenn der SOC einer Hochspannungsbatterie geringer als der untere Grenzwert (SOCLOW) ist, kann die Brennstoffzellen-Ein-Bedingung erfüllt sein, während die Ausgangsleistung aufrechterhalten wird, sodass diese größer als der vorgegebene Wert (PIDLE_ON) ist, während die Brennstoffzelle eingeschaltet ist, um das Laden der Hochspannungsbatterie 20 zu ermöglichen. Zusätzlich, unter Berücksichtigung der Reaktionsgeschwindigkeit des Systems, kann in dem Prozess des Erkennens der Fahrzeuglast die Brennstoffzelle eingeschaltet sein, bei einer vollen oder starken Beschleunigung, welche größer als ein vorgegebener Level ist, und ausgeschaltet sein bei einem regenerativen Bremsen, um die Rekuperationsrate des regenerativen Bremsens zu erhöhen.
  • Während des Erkennens des Brennstoffzellenstatus, wie in 2 auf der rechten Seite dargestellt, kann bei einer Bedingung, bei welcher der Brennstoffzellenstapel in einem Notlauf ist, der Stapel bei einer Temperatur gehalten werden, welche geringer ist als ein vorgegebener Wert, um das Erzeugen von Elektrizität durch die Brennstoffzelle aufrechtzuerhalten, wenn der Stapel einen Anodendruck aufweist, welcher geringer als ein vorgegebener Wert ist, während die Steuerung eines Lüftungsgebläses unfähig zur Kommunikation ist oder der Heizer in Betrieb ist (z. B. eine Bedingung zum Verbieten des Stopps, oder eine Bedingung für den Start) („Brennstoffzellenstatus OK = 0” in 2). Unter anderen Bedingungen als den oben genannten kann durch die Steuerung bestimmt werden, dass ein Stopp möglich ist (z. B. Bedingung für Stopp) („Brennstoffzellenstatus OK = 1”).
  • In dem Prozess des Erkennens des Fahrzeugzustands und des Brennstoffzellenzustands, wie in 2 gezeigt, wenn die Bedingungen für „Brennstoffzelle Aus und Brennstoffzellenstatus OK = 1” erfüllt sind, vollzieht das Brennstoffzellensystem einen Eintritt in den Stopp. Ferner, wenn irgendeine der Bedingungen nicht erfüllt ist, kann der Eintritt des Brennstoffzellensystems in den Stopp verboten werden. Zum Beispiel kann, wenn eine Fahrzeugzustandsbedingung erkannt wird, welche ausreichend für die Brennstoffzellen-Aus-Bedingung ist, z. B. eine Bedingung für Fahrzeuglast und SOC, als eine Bedingung erkannt wird für das Verbieten des Stopp („Brennstoffzellenstatus OK = 0”), kann der Eintritt des Brennstoffzellensystems in den Stopp verboten werden. Zusätzlich, wie in 2 gezeigt, kann, wenn „Brennstoffzelle ON” oder „Brennstoffzellenstatus OK = 0” erkannt wird, der Stopp verboten werden (im Fall eines Normalbetriebs) oder die Brennstoffzelle kann neu gestartet werden (im Fall eines Stopp-Zustands). Zum Beispiel kann eine Brennstoffzelle neu gestartet werden, wenn eine Bedingung für das Neustarten der Erzeugung von Elektrizität durch eine Brennstoffzelle (Startbedingung) („Brennstoffzellenstatus OK = 0”) erfüllt ist, obwohl Fahrzeugzustandsbedingungen (z. B. die Bedingung von Fahrzeuglast und eine SOC-Bedingung) nicht erfüllt werden, wenn die Brennstoffzellenstapel-Ein-Bedingung („Brennstoffzellen-Aus-Bedingung”) erfüllt ist.
  • Das Brennstoffzellensystem kann aufgrund des Betriebs des zusätzlichen Antriebssystems in einem Bereich niedriger Leistung ineffizient sein. Um den Betrieb bei diesem Bereich zu verhindern, kann PIDLE, was eine Ausgangsleistung während der Verschlechterung der Effizienz darstellt, als eine Bedingung für das Bestimmen von Lasten gesetzt werden, während VIDLE, eine Spannung welche PIDLE entspricht, oder eine Spannung in der Nähe von VIDLE (V1 in 4) als eine obere Grenze für die Spannungssteuerung des bidirektionalen Leistungswandlers gesetzt werden kann, um die Spannung, welche durch den bidirektionalen DC/DC-Wandler 21 in dem Normalbetriebsmodus des Brennstoffzellensystems angepasst wird, zu begrenzen, um eine obere Grenze für die Spannungssteuerung zu setzen, wobei ein Bereich niedriger Leistung des Brennstoffzellensystems restriktiv verwendet werden kann.
  • In einem Normalbetriebsmodus des Brennstoffzellensystems in Übereinstimmung mit einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, d. h. unter der Bedingung für das Ausführen einer niedrigen folgenden Steuerung der Brennstoffzelle, wie oben beschrieben, kann die Spannung, welche durch den bidirektionalen DC/DC-Wandler 21 angepasst wird, auf eine obere Grenze beschränkt werden, indem eine obere Grenze für die Spannungssteuerung dem bidirektionalen DC/DC-Wandler 21 vorgegeben wird, während ein Bereich niedriger Leistung der Brennstoffzelle restriktiv genutzt werden kann. Wenn eine obere Grenze für die Spannung des bidirektionalen DC/DC-Wandlers 21 vorhanden ist, kann die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle bei einem vorgegebenen Niveau oder darüber erhalten werden, mit einer einhergehenden Einschränkung der Nutzung der Brennstoffzelle in einem Bereich niedriger Leistung. Ferner können, wenn die Ausgangsleistung des Brennstoffzellensystems über PIDLE gehalten wird, verschiedene Probleme auftreten, einschließlich eines Überladens der Batterie in dem Bereich niedriger Leistung, quantitativen Beschränkungen des regenerativen Bremsens etc. Daher kann, wie oben beschrieben, die Brennstoffzelle abgeschaltet werden (Stopp) bei einem regenerativen Bremsen oder in einem Zustand niedriger Ausgangsleistung und hohen SOCs (Brennstoffzelle-Aus-Bedingung in 2), um den Bereich niedriger Effizienz zu vermeiden.
  • 3 ist eine beispielhafte Ansicht eines Stopp- und Neustart-Prozesses eines Brennstoffzellensystems entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und 4 ist eine beispielhafte Ansicht, welche einen Stopp- und Neustart-Prozess eines Brennstoffzellensystems entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Bezug auf die Veränderungen in Spannung und Strom über die Zeit zeigt. Bezug nehmend auf 3 und 4 kann eine Last-folgende Steuerung, in welcher die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle entsprechend den Lasten angepasst wird, in einem Normalbetriebsmodus des Brennstoffzellensystems durchgeführt werden und für die Ausgangsleistungssteuerung der Brennstoffzelle kann die Steuerung ausgebildet sein, eine Ausgangsspannung eines Hauptbusanschlusses des bidirektionalen DC/DC-Konverters 21 anzupassen (im Folgenden abgekürzt als Spannung des bidirektionalen DC/DC-Wandlers 21).
  • Insbesondere kann in der folgenden Erfindung eine obere Grenze für die Spannungssteuerung des bidirektionalen DC/DC-Wandlers 21 (V1 in 4) in einem Normalbetriebsmodus des Brennstoffzellensystems vorgegeben werden, in welchem die Spannung des bidirektionalen DC/DC-Wandlers 21, welche basierend auf Lasten während des Betriebs eingestellt wird, auf einen oberen Grenzwert für die Spannungssteuerung begrenzt wird, wodurch die Benutzung der Brennstoffzelle in einem Bereich niedriger Energie verhindert wird. Auf ähnliche Art und Weise kann in einem Normalbetriebsmodus während des Betriebs zum Folgen einer Last einer Brennstoffzelle die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle größer gehalten werden, als ein vorgegebenes Level, indem die Spannung des bidirektionalen DC/DC-Wandlers 21 auf eine obere Grenze beschränkt wird, welche für die Spannungssteuerung des bidirektionalen DC/DC-Wandlers 21 vorgegeben wird.
  • Ferner kann, wenn die Fahrzeugzustandsbedingungen, d. h. die Fahrzeuglasten und der SOC der Hochspannungsbatterie, die Brennstoffzellen-Aus-Bedingung in dem Prozess des Erkennens des Fahrzeugzustandes erfüllen, wie in 2 dargestellt, die Steuerung ausgebildet sein, zu bestimmen, ob der Brennstoffzellenstatus einen Stopp des Brennstoffzellensystems erlaubt. Insbesondere kann in dem Prozess des Erkennens des Brennstoffzellenstatus die Brennstoffzellensteuerung, wenn ein Brennstoffzellenstatus einer Bedingung des Verbietens des Stopps des Brennstoffzellensystems entspricht („Fuel Cell Status OK = 0” in 2), obwohl die Fahrzeugstatusbedingungen für eine Brennstoffzellen-Aus-Bedingung erfüllt sind, konfiguriert sein, den Stopp des Brennstoffzellensystems zu verhindern, um die Brennstoffzelle in einem Betriebsstatus zu halten und das obere Limit der Spannung freizugeben, durch welches die Spannung des bidirektionalen DC/DC-Wandlers 21 auf den oberen gesetzten Grenzwert beschränkt wird (V1) und daher erlauben, dass die Brennstoffzelle in dem Bereich niedriger Energie genutzt wird.
  • Wenn die Brennstoffzelle 10 zusätzlich zu dem Vorhandensein eines Bereichs niedriger Leistung der Brennstoffzelle 10 und eines hohen SOC der Hochspannungsbatterie 20 (z. B. Verbotsstatus des Stoppens) nicht abgeschaltet werden kann, kann die Hochspannungsbatterie 20 überladen werden, wenn der Ausgang der Brennstoffzelle kontinuierlich ein Level über dem oberen Grenzwert für die Spannung des bidirektionalen DC/DC-Wandlers aufweist. In dem Prozess des Erkennens des Brennstoffzellenstatus kann das Stoppen des Brennstoffzellensystems fortgesetzt werden mit dem Brennstoffzellenstatus, welcher als Stopp-Bedingung für das Brennstoffzellensystem in dem Erkennungsprozess erkannt wird. In anderen Worten kann die Spannung des Brennstoffzellensystems unter die Spannung des Hauptbusanschlusses gesenkt werden, indem eine Luftzufuhr zu der Brennstoffzelle 10 gestoppt wird (z. B. durch Ausschalten einer Luftzufuhr so wie z. B. eines Gebläses etc.), wobei der Ausgang der Brennstoffzelle (Stromausgang) an den Hauptbusanschluss nicht durchgeführt werden kann (bezogen auf einen Strom der Brennstoffzelle nach dem Stoppen der Luftversorgung in 4).
  • Ferner kann nach einer vorgegebenen Zeitdauer des Stoppens der Luftversorgung (oder dem Feststellen, dass keine Luftzufuhr vorliegt, mithilfe eines Flussmessers) die Spannung des bidirektionalen DC/DC-Wandlers auf einen vorgegebenen Wert (V2 in 2) reduziert werden, um Sauerstoff innerhalb der Kathode auszublasen. Während die Spannung des bidirektionalen DC/DC-Wandlers 21 reduziert und auf einem vorgegebenen Wert gehalten wird, kann die Spannung des Hauptbusanschlusses, welche der Ausgang des bidirektionalen DC/DC-Wandlers 21 wird, verringert werden. Folglich kann eine Spannung der Brennstoffzelle an den Hauptbusanschluss ausgegeben werden, während in der Kathode Sauerstoff ausgeblasen wird, um die Hochspannungsbatterie 20 mit dem Ausgang der Brennstoffzelle zu laden.
  • In anderen Worten kann die Hochspannungsbatterie 20 mit dem Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 10, welcher erzeugt wird, wenn Sauerstoff in der Kathode ausgeblasen wird, geladen werden, bis die Spannung der Brennstoffzelle 10 unter die Spannung des bidirektionalen DC/DC-Wandlers 21 sinkt (z. B. eine Spannung des Hauptbusanschlusses) und Restsauerstoff in der Kathode kann bis zu einem gewissen Niveau entfernt werden durch das erzwungene Laden der Hochspannungsbatterie 20.
  • Zusätzlich kann das Laden der Hochspannungsbatterie 20 beendet werden, wenn die Spannung der Brennstoffzelle 10 unter eine Spannung des bidirektionalen DC/DC-Wandlers sinkt, während Sauerstoff in der Kathode ausgeblasen wird, und der Sauerstoff in der Kathode kann ausgeblasen werden, während Wasserstoff in der Anode kontinuierlich zu der Kathode durch die elektrolytische Membran übergeht. Folglich vervollständigt das Entfernen der Spannung der Brennstoffzelle 10 den Übergang in den Stopp (die Spannung der Brennstoffzelle ist im Wesentlichen entfernt). Entsprechend kann die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 10, welche während des Ausblasens von Sauerstoff in der Kathode erzeugt wird, für das Laden der Hochspannungsbatterie 20 durch eine Spannungssteuerung genutzt werden, durch welche die Spannung des bidirektionalen DC/DC-Wandlers 21 bis auf einen vorgegebenen Wert (V2) verringert wird, nachdem die Luftzufuhr gestoppt wird. Zusätzlich kann die Spannung der Brennstoffzelle 10 reduziert werden, wodurch vorteilhafte Effekte in Bezug auf die Haltbarkeit und die Kraftstoffeffizienz des Stapels hervorgerufen werden.
  • Nachdem die Hochspannungsbatterie 20 während des Ausblasens von Sauerstoff in der Kathode der Brennstoffzelle 10 forciert geladen wurde, wenn die Spannung der Brennstoffzelle 10 wieder auf einen geringeren Wert als denjenigen des Hauptbusanschlusses sinkt, d. h. die Spannung des bidirektionalen DC/DC-Wandlers 21, kann kein Strom aus der Brennstoffzelle 10 entnommen werden, um den EV-Betriebsmodus durchzuführen, in welchem der Antriebsmotor durch die Ausgangsleistung der Hochspannungsbatterie angetrieben wird.
  • Bezug nehmend auf 4 ist gezeigt, dass sowohl die Spannung des bidirektionalen DC/DC-Wandlers 21 als auch der Brennstoffzelle zur Spannungssteuerung (V1) auf eine obere Grenze beschränkt sein können in dem Bereich, bevor die Luftzufuhr beginnt gestoppt zu werden. Entsprechend kann ein Strom der Brennstoffzelle bei einem bestimmten Niveau gehalten werden, indem die Spannung an die obere Grenze angepasst wird. Zusätzlich versteht sich, dass ein EV-Modusbetrieb durchgeführt werden kann, indem ein Batteriestrom an den Wandler durch eine Motorsteuerung (MCU, Motor Control Unit) bereitgestellt wird, in dem Bereich von dem Ende der Luftzufuhr zu dem Neustart der Brennstoffzelle. In diesem Zusammenhang kann der EV-Betriebsmodus, in welchem eine Spannung des Hauptbusanschlusses bei einem vorgegebenen Wert gehalten wird (V2) (z. B. ein konstanter Wert oder ein variabler Wert) durch die Spannungssteuerung des bidirektionalen DC/DC-Wandlers 21, durchgeführt werden.
  • Es kann notwendig sein, einen vorgegebenen Wert (V2) optimal zu setzen, auf welchen die Spannung des bidirektionalen DC/DC-Wandlers 21 nach dem Stoppen der Luftzufuhr verringert wird, bezogen auf die Effizienz sowohl des bidirektionalen DC/DC-Wandlers 21 als auch des Antriebsmotors 32. Für die Effizienz des Antriebsmotors 32 kann der Wert (V2) auf einen im Wesentlichen hohen Wert gesetzt werden und der EV-Antriebsmodus kann durch das Setzen des Wertes (V2) auf einen im Wesentlichen geringen Wert betrieben werden, in Bezug auf die Effizienz des bidirektionalen DC/DC-Wandlers. Folglich wird ein geeigneter Wert für den Wert (V2) benötigt. Während des EV-Antriebsmodus, wie oben beschrieben, kann, wenn eine Fahrzeugzustandsbedingung oder eine Brennstoffzellenstatus-Bedingung geeignet ist für ein Brennstoffzellen-Ein, Bedingung (Brennstoffzellenstatus OK = 0 in 2), das Brennstoffzellensystem neu gestartet werden. In diesem Zusammenhang kann die Spannung des bidirektionalen DC/DC-Wandlers 21 erhöht und bei einem vorgegebenen Wert (V3 in 5) gehalten werden, um zu verhindern, dass das Brennstoffzellensystem übermäßig an den Hauptbusanschluss ausgibt.
  • Wenn das Fahrzeug neu gestartet wird bei einer höheren Ausgangsleistung als die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle, auch wenn eine Fahrzeuglastbedingung nicht erfüllt ist (z. B. ein niedriger Lastzustand, in welchem eine Fahrzeuglast geringer ist als ein Referenzwert, in anderen Worten, die benötigte Ausgangsleistung der Brennstoffzelle ist unter PIDLE_ON), kann die Spannung des bidirektionalen DC/DC-Wandlers weiter erhöht und in der Nähe einer OCV (Open Circuit Voltage, Leerlaufspannung) gehalten werden, d. h. bei einem Maximumgrenzwert, welcher geringer ist als OCV. Wie im Stopp, wenn die Spannung für den Neustart, d. h. eine vorgegebene Spannung, auf welche die Spannung des bidirektionalen DC/DC-Wandlers 21 sich erhöht (V3), in der Nähe von VIDLE in 2 gehalten wird, wenn eine Fahrzeuglast unter einem Referenzwert und der SOC der Hochspannungsbatterie 20 im Wesentlichen hoch ist, kann die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 10 die Hochspannungsbatterie 20 überladen.
  • Nachdem der Hauptbusanschluss die vorgegebene Spannung (V3) mit einem Spannungsmesser erfasst hat, kann eine Brennstoffzellensteuerung ausgebildet sein, die Erzeugung elektrischer Energie durch die Brennstoffzelle 10 neu zu starten und die Erzeugung von Elektrizität durch das Starten der Luftzufuhr neu zu starten. An dem Startpunkt der Luftzufuhr kann die Spannung der Brennstoffzelle 10 erhöht werden, auf den Wert der Spannung des bidirektionalen DC/DC-Wandlers 21 (V3), indem die Anzahl der Umdrehungen eines Luftgebläses erhöht wird. In diesem Zusammenhang kann die Brennstoffzelle 10 ausgebildet sein, eine im Wesentlichen konstante Leistung auszugeben, welche dem erhöhten Wert (V3) des bidirektionalen DC/DC-Wandlers 21 zusätzlich zu der Erhöhung der Spannung durch die Luftzufuhr entspricht. Zusätzlich kann ein Lüfter betrieben werden, um eine vorgegebene Menge an Luft (α) zuzüglich einer benötigten Menge an Luft basierend auf Stromanforderungen bereitzustellen, um schnell eine Erhöhung einer Spannung der Brennstoffzelle bereitzustellen, wenn eine Luftversorgung in dem Neustart-Prozess gestartet wird. Folglich kann „eine benötigte Menge Luft plus eine vorgegebene Menge” an Luft der Brennstoffzelle bereitgestellt werden.
  • Danach kann der Status der Brennstoffzelle kontinuierlich überwacht werden und wenn eine minimale Zellspannung, eine Abweichung von Zellspannungen, eine Menge von Luftzufuhr etc. stabilisiert sind, kann der Neustart-Prozess beendet werden und die Beibehaltung eines vorgegebenen Wertes für die Spannung des bidirektionalen DC/DC-Wandlers 21 kann gestoppt werden. Danach kann in einem Normalbetriebsmodus die Brennstoffzelle 10 betrieben werden, um eine normale Lastfolgesteuerung in dem normalen Betriebsmodus auszuführen. In diesem Zusammenhang kann die Spannung des bidirektionalen DC/DC-Wandlers 21 auf einen oberen Grenzwert für die Spannungssteuerung (V1) begrenzt werden, um dafür zu sorgen, dass die Brennstoffzelle 10 eine Ausgangsleistung bei einem vorgegebenen Wert beibehält, aber nicht in dem Bereich niedriger Ausgangsleistung verwendet wird, wie oben beschrieben.
  • Bezug nehmend auf 4 kann das Verhindern des Betriebs der Brennstoffzelle 10 in einem Bereich niedriger Leistung erreicht werden, indem die Spannungsanpassung des bidirektionalen DC/DC-Wandlers 21 und die Anpassung der Luftzufuhr in dem Stopp- und Neustart-Prozess entsprechend der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird (z. B. keine Spannungen werden gebildet zwischen OCV und V1). Spannungen V1 und V3 können gesetzt werden, um ungefähr PIDLE zu sein, aber können eine Hysterese berücksichtigen, V1 und V3 können gesetzt werden, auf Spannungen, welche PIDLE_OFF und PIDLE_ON entsprechen.
  • In dem Neustart-Prozess kann eine benötigte Menge an Luft für die Wiederversorgung von Luft aus einem Bedarf an Strom von der Brennstoffzelle berechnet werden und durch das Zuführen einer größeren Menge an Luft gemäß einem vorgegebenen Wert (α) plus dem Bedarf durch den Strom, die Spannungsstabilität schneller erreicht werden. Zusätzlich kann V2, welche einen Spannungssteuerwert für den bidirektionalen DC/DC-Wandler 21 in dem EV-Betriebsmodus während des Stopps des Brennstoffzellensystems ist, auf einen Wert unter Berücksichtigung der Effizienz sowohl des bidirektionalen DC/DC-Wandlers 21 und des Antriebsmotors 32 etc. gesetzt werden, und eine Diagnoselogik, welche relevant für die Zellspannungsabweichung, den Luftfluss etc. ist, kann gestoppt werden, um eine durch die Diagnoselogik bedingte Abschaltung der Brennstoffzelle und des Fahrzeugs während des EV-Betriebsmodus zu unterbinden.
  • In dem Neustart-Prozess der Brennstoffzelle 10, wie in 4 gesehen werden kann, kann der Neustart durch das Erhöhen und Beibehalten der Spannung des bidirektionalen DC/DC-Wandlers 21 bei einem vorgegebenen Niveau unter der Bedingung des Einschaltens des Relais (Bezugszeichen 14 in 1) der Brennstoffzelle beendet werden, gefolgt von dem Erhöhen der Spannung der Brennstoffzelle 10 durch Luftzufuhr, während der Brennstoffzelle 10 ermöglicht wird, eine im Wesentlichen konstante Ausgangsleistung bereitzustellen, welche dem von dem bidirektionalen DC/DC-Wandler 21 eingehaltenen Spannungswert entspricht. Sequenzen können bei einem normalen Start eingesetzt werden. 5 ist eine beispielhafte Tabelle, welche die Erkennung von Zuständen durch Diagnoselevels gemeinsam mit den Ursachen der Zustände zeigt, welche in einem Betriebssteuerverfahren eines Brennstoffzellensystems entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung genutzt werden.
  • Bezug nehmend auf 5 wird durch Flt Lvl ein Diagnoselevel dargestellt für eine Überversorgung mit Luft an dem Brennstoffzellenstapel oder für einen Wassermangelzustand des Brennstoffzellenstapels. Diagnoselevels (Lvl) werden klassifiziert als drei Level entsprechend der Stärke des Wassermangels basierend auf der Menge an Überversorgung mit Luft oder einer Verschlechterung. In anderen Worten können die drei Diagnoselevels entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung basierend auf einem Maß der Überversorgung mit Luft oder für den Wassermangel festgelegt werden. Die beispielhafte Ausführungsform wird unter der Annahme gezeigt, dass die drei Diagnoselevels als entsprechende Diagnoselevels eines ersten, eines zweiten und eines dritten Status ausgebildet sind. Ein Grund für den ersten Status kann ein Zusammenbruch des Brennstoffzellensystems und von Komponenten des Brennstoffzellensystems sein. Eine Ursache des zweiten Status kann die Unfähigkeit sein, einen Zusammenbruch des Brennstoffzellensystems oder von Komponenten des Brennstoffzellensystems, ein Betriebsmuster oder ein Umweltelement zu erfassen. Eine Ursache des dritten Status kann ein Wassermangel der Brennstoffzelle aufgrund einer Verschlechterung des Brennstoffzellenstapels sein.
  • In anderen Worten kann ein Wassermangel des Brennstoffzellenstapels basierend auf dem Status entweder einer Überversorgung mit Luft oder einer Verschlechterung des Brennstoffzellenstapels erkannt werden. In diesem Zusammenhang kann der erste Status ein Status sein, in welchem eine Menge an Luft, welche dem Brennstoffzellenstapel bereitgestellt wird, größer ist als die von dem Brennstoffzellenstapel benötigte Menge (z. B. Überversorgung mit Luft) aufgrund des Zusammenbruchs des Brennstoffzellensystems. In dem zweiten Status kann zu viel Luft bereitgestellt werden oder ein Austrocknen (z. B. Wassermangel) kann auftreten, auch wenn das Brennstoffzellensystem normal betrieben wird (ohne Fehler). Ein Status, in welchem der Brennstoffzellenstapel bereits eine Verschlechterung erfährt, kann als dritter Status bezeichnet werden. Insbesondere kann ein höherer Diagnoselevel (Flt Lvl) einen höheren Grad der Verschlechterung des Brennstoffzellenstapels kennzeichnen. Ein niedriger Diagnoselevel kann anzeigen, dass das System weniger anfällig für das Auftreten von Wassermangel ist. Ein höherer Diagnoselevel kann eine intensivere Strategie für den Regenerationsbetrieb (z. B. Erhöhen der Anzahl und der Level des Regenerationsbetriebs) erfordern.
  • Der erste Zustand kann eine Bedingung sein, unter welcher Luft in einer Menge bereitgestellt wird, welche größer als die benötigte ist, da ein normaler Betrieb des Brennstoffzellensystems nicht möglich ist (insbesondere des Luftzufuhrsystems). Er kann auch einen Zustand berücksichtigen, in welchem, auch bei einem im Wesentlichen geringen Ausgang, es nicht möglich ist, die Erzeugung von Elektrizität durch die Brennstoffzelle zu stoppen. In diesem Zusammenhang kann eine Überversorgung mit Luft bereits mit einer sehr geringen Menge an Luftzufuhr auch bei einem geringen Ausgang erfolgen. Die geringe Menge an Luftzufuhr kann sich auf eine minimale Menge an Luft beziehen, welche zur Verfügung gestellt wird, ausgeschlossen des Stopp-Zustandes, unabhängig von den Lastbedingungen. Der erste Status kann erkannt werden durch Bedingungen, welche einschließen den FC-Modus, ein Notfallfahren mit fixierter Umdrehungszahl in einem Notfallzustand eines Luftgebläses, welcher hervorgerufen wird durch den Ausfall mindestens eines Hall-Sensors oder Stromsensors in dem Luftgebläse, ein Ausgangsleistungsmangel der Hochspannungsbatterie 20, eine niedrige Temperatur in der Brennstoffzelle oder dergleichen. Zum Beispiel kann der erste Status ein Status sein, in welchem Luft in einer größeren Menge bereitgestellt wird, als diese notwendig ist, wenn ein Betrieb mit fester Drehzahl durchgeführt wird, bei dem Notfallbetrieb des Luftgebläses oder wobei Luft in einem Übermaß bereitgestellt wird durch eine Strömung in einem Bereich der Verlangsamung, wenn ein regeneratives Bremsen des Lüfters nicht möglich ist (z. B. übermäßiger Batterie-SOC, schlechte Steuerung des Lüfters).
  • Der zweite Status kann ein Status sein, in welchem entweder ein Zusammenbruch des Brennstoffzellensystems oder von Komponenten des Brennstoffzellensystems, wie z. B. dem Lüfter etc., nicht erkannt werden kann. Zum Beispiel kann eine Überversorgung mit Luft aus Gründen auftreten, wie folgt: Ein anormaler Status des Brennstoffzellensystems kann nicht diagnostiziert werden, ein Brennstoffzellensystem verhält sich normal, aber ein bestimmtes Betriebsmuster, wie eine schnelle Beschleunigung/Abbremsung wird wiederholt, und es wird bei einem Bergabfahren Luft in den Lüfter gedrückt oder es herrscht ein starker Wind. Entsprechend kann, um diese Bedingungen als den zweiten Status zu erkennen, die Rate der Überversorgung mit Luft zu dem Stromverbrauch, ein Stromverbrauch an Strom, welcher in der Brennstoffzelle erzeugt wird, berechnet werden oder eine Menge an Wasser, welche in dem Brennstoffzellenstapel verbleibt, kann indirekt durch ein Feuchtigkeitsschätzmodell in der Kathode abgeleitet werden.
  • Ein erstes Verfahren zum Berechnen der Rate einer Überversorgung mit Luft zum momentanen Verbrauch kann das Definieren einer quantitativen Differenz zwischen der zur Verfügung gestellten Luft und der Luft, welche für die aktuelle Stromversorgung benötigt wird, berechnet werden als eine Überversorgungsmenge für die Luft, das Berechnen der Abweichung der Überversorgungsmenge der Luft basierend auf der Menge der überversorgten Luft, einer Referenzmenge an überversorgter Luft und eines Betriebstemperatur-Gewichtsfaktors und das Durchführen einer zeitlichen Integration der überversorgten Menge an Luft. Ein Zustand, in welchem die Abweichung des integrierten Wertes der überversorgten Menge an Luft größer ist als ein erster Referenzwert kann als der zweite Status bestimmt werden.
  • Ein zweites Verfahren zum Berechnen der Rate der Überversorgung mit Luft zum Stromverbrauch kann aufweisen das Definieren einer Rate an Luft, welche für den Stromverbrauch benötigt wird, zu der bereitgestellten Menge an Luft als eine Überversorgungsrate der Luft und das Durchführen einer zeitlichen Integration der Abweichung der überversorgten Luft basierend auf einer Menge der überversorgten Luft, einer Referenz für die Überversorgungsrate der Luft und einem Betriebstemperatur-Gewichtsfaktor. Wenn ein integraler Wert für die Überversorgungsrate der Luft gegenüber der Zeit größer ist als ein erster Referenzwert, kann der zweite Status bestimmt werden.
  • Eine Strategie für das Schätzen der Menge an Restwasser in dem Brennstoffzellenstapel wird in 6 gezeigt. 6 ist eine beispielhafte Darstellung, welche ein Modell für die Schätzung der relativen Feuchtigkeit in einem Betriebssteuerverfahren eines Brennstoffzellensystems entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Bezug nehmend auf 6 ist ein RH-Schätzmodell gezeigt mit der Annahme, dass keine quantitativen Veränderungen an Wasser in der Kathode des Brennstoffzellenstapels stattfinden. In dem Schätzmodell können eine Menge an Wasserdampf, welcher in einen Eingang des Brennstoffzellenstapels fließt, eine Menge an erzeugtem Wasser, eine Menge an Wasser, welches zwischen der Kathode und der Anode in dem Brennstoffzellenstapel bewegt wird, berücksichtigt werden, um die relative Feuchtigkeit in dem Ausgang der Kathode des Brennstoffzellenstapels zu schätzen.
  • Insbesondere können die Variablen, welche zum Schätzen der relativen Feuchtigkeit in der Kathode notwendig sind, aufweisen Lufttemperaturen sowohl in dem Eingang als auch dem Ausgang der Kathode des Brennstoffzellenstapels, eine Menge des Luftflusses in den Eingang des Brennstoffzellenstapels, und eine Menge an erzeugtem Strom des Brennstoffzellenstapels. Ein Gesamtluftdruck in dem Eingang des Brennstoffzellenstapels kann eine Funktion einer Menge an Luftzufluss in den Eingang der Kathode des Brennstoffzellenstapels sein und ein absoluter Luftdruck in dem Ausgang der Kathode des Brennstoffzellenstapels kann eine Funktion eines Luftzuflusses in den Eingang des Brennstoffzellenstapels sein. Gesättigter Wasserdampfdruck in dem Eingang und dem Ausgang der Kathode des Brennstoffzellenstapels kann eine Funktion der Lufttemperaturen in dem Eingang und dem Ausgang der Kathode des Brennstoffzellenstapels sein.
  • Um die Menge an Restwasser in dem Brennstoffzellenstapel zu schätzen, kann eine Menge von Wasserdampffluss in den Ausgang des Brennstoffzellenstapels berechnet werden basierend auf dem geschätzten Wert für die relative Feuchtigkeit des Ausgangs der Kathode. Insbesondere kann eine Menge von Wasserdampffluss in den Ausgang des Brennstoffzellenstapels ein Produkt einer Menge von Trockenluftfluss in den Ausgang des Brennstoffzellenstapels (eine Menge des Luftflusses in den Eingang des Brennstoffzellenstapels minus der Menge an reagiertem Sauerstoff) mal 0,622 (die Masse von 1 Mol Wasserdampf dividiert durch die Masse von 1 Mol trockener Luft) mal einer Rate des Wasserdampfdrucks in dem Ausgang der Kathode des Brennstoffzellenstapels zu einer Differenz zwischen einem absoluten Luftdruck in dem Ausgang des Brennstoffzellenstapels und einem Wasserdampfdruck in dem Ausgang der Kathode sein.
  • Ferner können eine relative Luftfeuchtigkeit von ungefähr 100% (z. B. in einem Bereich von 90% bis 110%) in dem Ausgang der Kathode, eine Menge an Wasserdampffluss in dem Ausgang des Brennstoffzellenstapels berechnet werden. Eine Berechnungsmethode kann die gleiche sein, wie für die relative Feuchtigkeit eines geschätzten Wertes in dem Ausgang der Kathode. Eine Menge an Restwasser kann durch eine zeitliche Integration einer Differenz zwischen der Menge an Wasserdampf in dem Ausgang des Brennstoffzellenstapels bei einer relativen Feuchtigkeit von ungefähr 100% in dem Ausgang der Kathode und der Menge an Wasserdampffluss in dem Ausgang des Brennstoffzellenstapels bei einer relativen Feuchtigkeit des geschätzten Wertes in den Ausgang der Kathode geschätzt werden. Der zweite Status kann durch diese Methoden bestimmt werden. Der dritte Status, in welchem ein Wassermangel in dem Brennstoffzellenstapel auftritt, kann erkannt werden durch das Bestimmen einer Verschlechterung basierend auf Steigungen und Veränderungen von Stromspannungskurven, Impedanzmessungen, Membranwiderstandsmessungen durch CI (Current Interrupt Method) etc. Wenn festgestellt wird, dass der Brennstoffzellenstapel in einem ersten, zweiten oder dem dritten Status ist, kann diesem ein erster, zweiter oder dritter Diagnoselevel der Vielzahl von Diagnoselevels zugewiesen werden. In anderen Worten kann der Brennstoffzellenstapel mit einem der Vielzahl von Diagnoselevels entsprechend dem erkannten Status gekennzeichnet werden. Zum Beispiel kann, wie in 5 gezeigt, die erkannte Bedingung kategorisiert werden als drei verschiedene Stati, welche den drei Diagnoselevels entsprechen. Wassermangel oder Überversorgung mit Luft kann basierend auf einem Regenerationsfahrmodus, welcher für das erkannte Diagnoselevel geeignet ist, korrigiert werden.
  • 7 ist ein beispielhaftes Flussdiagramm, welches ein Betriebssteuerverfahren eines Brennstoffzellensystems entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 7 gezeigt, kann eine Steuerung ausgebildet sein, zu erkennen, ob der Brennstoffzellenstapel einem ersten Status, einem zweiten Status oder einem dritten Status der 5 (S710) unterliegt, und, wenn der Status des Brennstoffzellenstapels keinem der klassifizierten Diagnosestati entspricht, kann ein normaler Betriebsmodus betrieben werden (S720). Wenn diagnostiziert wird, dass der Brennstoffzellenstapel einen der Diagnoselevel aufweist, wird ein korrespondierender Regenerationsfahrmodus ausgewählt und betrieben (S730). Wenn der Brennstoffzellenstapel von dem ersten, dem zweiten oder dem dritten Status durch einen Regenerationsfahrmodus nicht vollständig regeneriert wird (S730), kann der Status bezogen auf die Überversorgung mit Luft oder einem Wassermangel erneut bestimmt werden (S710). Ein Regenerationsfahrmodus kann wiederholt werden, bis der Brennstoffzellenstapel von dem ersten, dem zweiten oder dem dritten Status regeneriert ist.
  • Der Regenerationsfahrmodus kann einen Regenerationsfahrmodus zum gezwungenen Kühlen des Brennstoffzellenstapels durch Anpassen der Temperatur an dem Kühleingang und -ausgang des Brennstoffzellenstapels, aufweisen. Ferner kann ein Regenerationsfahrmodus einen Regenerationsfahrmodus zum Beenden einer Stopp-Eintrittsbedingung des Brennstoffzellensystems, einen Regenerationsfahrmodus zum Verringern einer Spannung an dem Hauptbusanschluss, welcher an den Ausgangsanschluss des Brennstoffzellenstapels angeschlossen ist, einen Regenerationsfahrmodus zum Reduzieren einer grundlegenden Menge an Luftzufuhr und einen Regenerationsfahrmodus zum Betreiben des Brennstoffzellenstapels mit einem minimalen Stöchiometrieverhältnis aufweisen.
  • 8 ist ein beispielhaftes Flussdiagramm, welches ein Betriebssteuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 8 gezeigt, kann die Steuerung ausgebildet sein, zu bestimmen, ob der Brennstoffzellenstapel in einem normalen Betriebsmodus operiert (S702) und wenn der Brennstoffzellenstapel in einem normalen Betriebsmodus operiert, kann die Temperatur des Brennstoffzellenstapels beibehalten werden (S722) und wenn der Brennstoffzellenstapel nicht in einem normalen Betriebsmodus operiert, kann ein Regenerationsfahrmodus betrieben werden, welcher die Brennstoffzelle forciert kühlt (S732). Dieser Betrieb des forcierten Kühlens kann durch eine Kühlsteuerung, welche Teil der Brennstoffzellensteuerung ist, ausgeführt werden.
  • 11 ist eine beispielhafte Ansicht, welche den forcierten Kühlregenerationsfahrmodus entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 11 gesehen werden kann, kann die Steuerung ausgebildet sein Informationen bezüglich der Temperaturen an dem Kühleingang und -ausgang des Brennstoffzellenstapels, externer Temperaturen, Fahrzeuggeschwindigkeit etc. zu erhalten und Zieltemperaturen für den Kühleingang und -ausgang zu setzen, um eine forcierte Kühlsteuerung auszuführen, ein Regenerationsfahrmodus. Um die Temperatur auf den Zielwert zu kühlen, kann die Kühlsteuerung ausgebildet sein, an eine Wasserpumpe, einen Lüfter und ein Thermostat Informationen bezüglich der Umdrehungszahlen der Wasserpumpe und des Kühlerlüfters und der Öffnungssteuerung des Thermostats bereitzustellen.
  • In einem Regenerationsfahrmodus kann eine Beseitigung eines Wassermangels in dem Brennstoffzellenstapel durch das Verringern der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels durch ein forciertes Kühlen erreicht werden. In anderen Worten ist ein Regenerationsfahrmodus für das forcierte Kühlen des Brennstoffzellenstapels, dass der Brennstoffzellenstapel forciert gekühlt werden kann durch das Setzen der Temperaturen an einem Kühleingang und -ausgang geringer als eine Referenztemperatur. Folglich, wenn Informationen bezüglich Temperaturen in dem Kühleingang und -ausgang empfangen werden, kann die Kühlsteuerung Temperaturwerte, welche größer um einen Offset sind als aktuelle Temperaturen in dem Kühleingang und -ausgang, als Eingangswerte nutzen.
  • Zieltemperaturen in dem Kühleingang und -ausgang können auch geringer gesetzt werden als notwendig. Zum Beispiel, wenn der Brennstoffzellenstapel diagnostiziert wird als einem dritten Level entsprechend, kann die Auswahl getroffen werden, einen Regenerationsfahrmodus für das forcierte Kühlen des Brennstoffzellenstapels zu nutzen, indem die Temperaturen in dem Kühleingang und -ausgang des Brennstoffzellenstapels angepasst werden. In anderen Worten kann ein Regenerationsfahrmodus für das forcierte Kühlen des Brennstoffzellenstapels durch das Setzen von Zieltemperaturen in dem Kühleingang und -ausgang geringer als üblicherweise gesetzte Temperaturen genutzt werden (A1 in 12).
  • 9 und 10 sind beispielhafte Flussdiagramme, welche ein Betriebssteuerverfahren eines Brennstoffzellensystems entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen und 12 ist eine beispielhafte Tabelle, welche einen Regenerationsfahrmodus darstellt, welcher den Stati des Brennstoffzellenstapels entspricht, entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 9 beschreibt das Steuern der Erzeugung von Elektrizität und den Stopp in der Brennstoffzelle durch einen Regenerationsfahrmodus.
  • Wie oben mit Bezug zu 2 beschrieben, kann die Brennstoffzelle betrieben werden, um Elektrizität zu erzeugen oder die Erzeugung von Elektrizität kann basierend auf Lasten in dem Fahrzeug, einem Ladezustand (SOC) der Batterie, einem Zustand der Brennstoffzelle etc. gestoppt werden. In einem Regenerationsfahrmodus kann jedoch die Bedingung für das Stoppen der Erzeugung von Elektrizität der Brennstoffzelle verringert werden, um einen Bereich der Brennstoffzelle, in welchem die Erzeugung elektrischer Energie gestoppt ist, zu vergrößern. Der Bereich der Brennstoffzelle, in welchem die Erzeugung elektrischer Energie gestoppt wird, kann vergrößert werden, z. B. indem Referenzwerte für PIDLE_OFF und PIDLE_ON erhöht werden, oder die Kriterien für SOCHigh und SOCLow reduziert werden oder einige der Brennstoffzellenstatus-Überprüfungspunkte gelöscht werden.
  • Als Beispiel, wie in 12 gezeigt, kann, wenn der Brennstoffzellenstapel dem dritten Status unterliegt, welcher dem dritten Diagnoselevel entspricht, der Bereich, in welchem die Erzeugung elektrischer Energie gestoppt ist, vergrößert werden. In anderen Worten kann die Bedingung für den Eintritt in den Stopp verringert werden. In diesem Zusammenhang kann die Steuerung ausgebildet sein, zu bestimmen, ob der Status des Brennstoffzellenstapels eine Bedingung für das Stoppen der Erzeugung von Elektrizität erfüllt (S910) und wenn dem so ist, kann die Brennstoffzelle betrieben werden, um die Erzeugung von Elektrizität zu stoppen (S920). Nachdem der Brennstoffzellenstapel diagnostiziert wird, um einen Status zu bestimmen, welcher für das Neustarten geeignet ist (S930), kann die Brennstoffzelle betrieben werden, um neu zu starten (S940). Ferner kann, wenn der Diagnoselevel nicht eine Bedingung für das Stoppen der Erzeugung von Elektrizität der Brennstoffzelle ist, eine Vielzahl von Regenerationsfahrmodi betrieben werden. Zuerst kann die obere Spannungsgrenze an dem Busanschluss durch den bidirektionalen DC/DC-Wandler 21 (S950) angepasst werden.
  • 10 ist ein beispielhaftes Flussdiagramm eines Verfahrens zum variablen Anpassen einer oberen Spannungsgrenze eines Hauptbusanschlusses entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren zum variablen Anpassen einer oberen Spannungsgrenze des Hauptbusanschlusses unter Verwendung des bidirektionalen DC/DC-Wandlers kann aufweisen das Bestimmen, wenn der Antriebsmotor 32 in einem regenerativen Bremszustand ist (S1010). Wenn der Betriebsmotor 32 in einem regenerativen Bremszustand ist, kann eine obere Spannungsgrenze des Hauptbusanschlusses auf etwa die Leerlaufspannung zurückfallen (S1020), da, wenn die obere Spannungsgrenze des Hauptbusanschlusses während des regenerativen Bremsens verringert wird, der Strom für das Laden der Hochspannungsbatterie 20 das regenerative Bremsen reduziert, was einen Verlust an Kraftstoffeffizienz bedeutet. Selbst in einem Regenerationsfahrmodus kann daher die Brennstoffzellensteuerung ausgebildet sein, zu bestimmen, ob ein regeneratives Bremsen betrieben wird, und wenn dem so ist, kann sie ein Herabsetzen der oberen Spannungsgrenze des Hauptbusanschlusses verhindern, um einen Verlust an Kraftstoffeffizienz zu vermeiden.
  • Wenn jedoch, wie in 12 gezeigt, der Brennstoffzellenstapel einem dritten Diagnoselevel unterliegt, welcher dem dritten Status entspricht, kann die Hochspannungsbatterie durch das Verringern einer oberen Spannungsgrenze des Hauptbusanschlusses geladen werden, unabhängig von einem regenerativen Bremsen, da die Wiederherstellung der Brennstoffzelle von einem Wassermangel wichtiger ist, trotz des Verlustes an Kraftstoffeffizienz (C2 in 12). Folglich kann unterlassen werden, zu erkennen, ob der Antriebsmotor 32 in einem regenerativen Bremsbetrieb ist.
  • Um einen Regenerationsfahrmodus zum Verringern einer oberen Spannungsgrenze des Hauptbusanschlusses zu betreiben, kann die Brennstoffzellensteuerung ausgebildet sein, den Ladezustand (SOC) einer Hochvoltbatterie zu bestimmen und zu bestimmen, ob ein Zusammenbruch in dem EV besteht (S1030). In anderen Worten kann die Brennstoffzellensteuerung ausgebildet sein, zu erfassen, ob das Laden einer Hochspannungsbatterie möglich ist, und eine obere Spannungsgrenze des Hauptbusanschlusses zu verringern, wenn das Laden der Hochvoltbatterie möglich ist (S1060). Im Fall des Verringerns der oberen Spannungsgrenze, wenn der Brennstoffzellenstapel als einem höheren Level unterliegend diagnostiziert wird, kann die obere Spannungsgrenze des Hauptbusanschlusses weiter reduziert werden (A2 in 12).
  • Wenn die Hochspannungsbatterie vollgeladen ist oder ein Zusammenbruch in dem EV vorhanden ist, kann die obere Spannungsgrenze des Hauptbusanschlusses nicht reduziert werden und der Brennstoffzellenstapel kann an der oberen Grenze des normalen Betriebsmodus betrieben werden (S1040). Zum Beispiel kann, wenn der Ladezustand (SOC) der Batterie größer ist als ein vorgegebener SOC, in anderen Worten, wenn die Batterie vollgeladen ist, ein Hochspannungsheizer an einen Ausgangsanschluss des Brennstoffzellenstapels angeschlossen werden, anstelle des Betriebs des Regenerationsfahrmodus zum Verringern der Spannung an dem Hauptbusanschluss, welcher an einen Ausgangsanschluss des Brennstoffzellenstapels angeschlossen ist.
  • Zusätzlich kann, wenn der Brennstoffzellenstapel in einer extremen Bedingung, wie z. B. einer Überversorgung mit Luft oder einem Wassermangel, ist, wenn der Diagnoselevel als dritter Status erkannt ist, der Hochspannungslüfter an die Brennstoffzelle angeschlossen werden, um Wasser in der Brennstoffzelle zu erzeugen (S1050, A5 in 12). In anderen Worten, wenn der Brennstoffzellenstapel in dem dritten Diagnoselevel ist, kann eine Auswahl eines Regenerationsfahrmodus getroffen werden, in welchem der Ausgang des Brennstoffzellenstapels basierend auf Lasten gesteuert wird, um einen Last-folgenden Betrieb zu erzeugen. Ein Zusammenbruch der EV-Seite kann durch den bidirektionalen DC/DC-Wandler oder die Hochspannungsbatterie hervorgerufen werden und der Hochspannungsheizer kann nicht benutzt werden. Eine Verringerung der oberen Spannungsgrenze des Hauptbusanschlusses kann die Frequenz einer Verwendung niedriger Leistung verringern und den Bereich, in welchem die Erzeugung von Elektrizität gestoppt ist, vergrößern, und die Frequenz des Erzeugens des Basisstroms in der Brennstoffzelle. Zusätzlich kann der Bereich der Verwendung der Hochspannungsbatterie vergrößert werden.
  • Nach dem Verringern der oberen Spannungsgrenze des Hauptbusanschlusses unter Verwendung des bidirektionalen DC/DC-Wandlers 21 kann die Brennstoffzellensteuerung ausgebildet sein, eine grundlegende Menge des Luftflusses zu verringern (S960). Zum Beispiel kann die Brennstoffzellensteuerung ausgebildet sein, die grundlegende Menge eines Luftzuflusses von einer Menge des Luftzuflusses, welche einem Strom von 30 Ampere entspricht, auf eine Menge eines Luftzuflusses für einen Strom von 10 Ampere zu verringern. Bei der Verringerung der grundlegenden Menge an Luftzufluss, entsprechend ob der Brennstoffzellenstapel in dem ersten, dem zweiten oder dem dritten Status ist, kann die bereitgestellte Menge an Luft für den Brennstoffzellenstapel bei höherem Diagnoselevel weiter reduziert werden (A3 in 12). In anderen Worten, wenn der Brennstoffzellenstapel in einem Regenerationsfahrmodus zum Reduzieren der grundlegenden Menge an Luftzufuhr betrieben wird, kann der Bereich des Steuerns des Stöchiometrieverhältnisses variabel basierend auf einem erkannten Diagnoselevel verringert werden. Zusätzlich kann die variable SR-Steuerung abgeschaltet werden, um bei einem minimalen SR zu betreiben, womit die Luftzufuhr minimiert wird (S970, A4 in 12). Zum Beispiel kann, wenn der Brennstoffzellenstapel dem zweiten oder dritten Diagnoselevel unterliegt, eine Auswahl eines Regenerationsfahrmodus zum Betreiben des Brennstoffzellenstapels in einem minimalen SR getroffen werden.
  • 13 ist eine beispielhafte Ansicht, welche schematisch eine variable Stöchiometrieverhältnis-Steuerung einer Luftzufuhr entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 13 gezeigt, empfängt ein Modell zur Schätzung der relativen Feuchtigkeit (RH) eine aktuelle Brennstoffzellenspannung, eine aktuelle Luftflussmenge, eine Temperatur des Kathodeneingangs, eine Temperatur des Kathodenausgangs und die Anzahl an Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel als Eingänge und hat interne Parameter, aufweisend eine Feuchtigkeitseffizienzkarte, eine Menge an Wasserbewegung von der Anode zur Kathode, einen Luftdruck in dem Kathodeneingang gegenüber der Luftflussmenge, einen Luftdruck an dem Kathodenausgang gegenüber der Luftflussmenge. In dem Modell zur Schätzung des RH kann ein Zielstöchiometrieverhältnis unter Verwendung einer Stöchiometrieverhältniskarte bestimmt werden, in welcher geschätzte Werte für relative Feuchtigkeit in dem Kathodenausgang vorhanden sind oder durch eine Stöchiometrieverhältnis-PI-Steuerung auf eine relative Zielfeuchtigkeit. Wie dargestellt, kann das Stöchiometrieverhältnis variabel basierend auf geschätzten Werten für die relative Feuchtigkeit angepasst werden. Jedoch kann die variable Steuerung abgeschaltet werden und der Brennstoffzellenstapel kann in einem Regenerationsfahrmodus betrieben werden, welcher gedacht ist, den Brennstoffzellenstapel mit einem minimalen Stöchiometrieverhältnis zu betreiben.
  • Zum Beispiel weist ein Regenerationsfahrmodus, in welchem der Brennstoffzellenstapel mit einem minimalen Stöchiometrieverhältnis (SR) betrieben wird, das Verringern eines Steuerbereichs des Stöchiometrieverhältnisses entsprechend der relativen Feuchtigkeit in der Kathode des Brennstoffzellenstapels, geschätzt basierend auf Temperaturen in dem Kathodeneingang und -ausgang des Brennstoffzellenstapels, der Menge an Luftzufluss in den Eingang des Brennstoffzellenstapels und dem erzeugten Strom in den Brennstoffzellenstapel auf. Wenn der Brennstoffzellenstapel in dem Regenerationsfahrmodus mit minimalem SR betrieben wird, kann der Bereich der Stöchiometrieverhältnis-Steuerung variabel verringert werden, basierend auf einem bestimmten Diagnoselevel. In einem Regenerationsfahrmodus kann der Bereich, in welchem die Erzeugung von Elektrizität durch die Brennstoffzelle gestoppt wird, vergrößert werden und Wasser kann durch das Verringern von Luftzufuhr und das Erzeugen von Ausgangsleistung durch den Brennstoffzellenstapel erzeugt werden, obwohl die Erzeugung von elektrischer Energie nicht gestoppt wird. Trotz der Wahrscheinlichkeit des Verlusts von Fahrmöglichkeiten und einer Kraftstoffeffizienz kann ein Betrieb mit geringer Leistung vermieden werden, um zu verhindern, dass die Brennstoffzelle aufgrund von Wassermangel verschlechtert wird.
  • Wie oben beschrieben, kann der Regenerationsfahrmodus bei geringer Intensität ausgeführt werden, mit einer geringen Anzahl von Mitteln, entweder für niedrige Diagnoselevels oder wenn der Brennstoffzellenstapel diagnostiziert ist, einen geringen Grad von Überversorgung mit Luft oder Wassermangel aufzuweisen. Repräsentativ unter den Regenerationsfahrmodi ist ein Regenerationsfahrmodus für das forcierte Kühlen des Brennstoffzellenstapels durch das Anpassen der Temperaturen an dem Kühleingang und -ausgang des Brennstoffzellenstapels, ein Regenerationsfahrmodus für das Verhindern von Bedingungen für den Übergang in den Stopp des Brennstoffzellensystems, ein Regenerationsfahrmodus für das Verringern einer Spannung des Hauptbusanschlusses, welcher mit dem Ausgangsanschluss des Brennstoffzellenstapels gekoppelt ist, ein Regenerationsfahrmodus für das Betreiben des Brennstoffzellenstapels bei einem minimalen SR und ein Regenerationsfahrmodus für das Reduzieren einer Luftmenge, welche dem Brennstoffzellenstapel bereitgestellt wird. Jedoch sollte der Regenerationsfahrmodus selektiv ausgewählt werden entsprechend einem Zustand des Brennstoffzellenstapels aufgrund des Verlusts entweder der Kraftstoffeffizienz oder der Beschleunigungsreaktion.
  • Auch wenn beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zum Zweck der Illustration dargestellt wurden, werden Fachleute erkennen, dass eine Vielzahl von Modifikationen, Hinzufügungen und Ersetzungen möglich sind, ohne von dem Gedanken und dem Geltungsbereich der Erfindung, wie sie in den beigefügten Ansprüchen dargestellt wird, abzuweichen.

Claims (25)

  1. Ein Betriebssteuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem, aufweisend: Bestimmen, durch eine Steuerung, wenn ein Brennstoffzellenstapel einen Wassermangel aufweist, basierend auf einer Überversorgung an Luft an dem Brennstoffzellenstapel oder einer Verschlechterung des Brennstoffzellenstapels; Zuweisen, durch die Steuerung, eines Diagnoselevels an das Brennstoffzellensystem basierend auf der Verschlechterung; und Durchführen, durch die Steuerung, zumindest eines Regenerationsfahrmodus, welcher dem zugewiesenen Diagnoselevel entspricht.
  2. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Zuweisungsprozess aufweist: Klassifizieren, durch die Steuerung, eines ersten Status als ein erster Diagnoselevel, wobei der erste Status ein Status ist, unter welchem eine Überversorgung mit Luft des Brennstoffzellenstapels aufgrund eines Zusammenbruchs des Brennstoffzellensystems vorhergesagt wird.
  3. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Zuweisungsprozess aufweist: Klassifizieren, durch die Steuerung, eines zweiten Status als ein zweiter Diagnoselevel, wobei der zweite Status ein Status ist, unter welchem der Brennstoffzellenstapel als unter Wassermangel leidend geschätzt wird, aufgrund einer Überversorgung mit Luft an den Brennstoffzellenstapel.
  4. Das Verfahren nach Anspruch 3, wobei der zweite Status basierend auf entweder einer Veränderung einer Überversorgung mit Luft an den Brennstoffzellenstapel zu einem Ausgangsstromverbrauch des Brennstoffzellenstapels oder einer Veränderung in Restwasser in einer Kathode, welche aus einem geschätzten Wert für eine relative Feuchtigkeit in der Kathode des Brennstoffzellenstapels bestimmt wird, bestimmt wird.
  5. Das Verfahren nach Anspruch 3, wobei der zweite Status ein Status ist, in welchem ein Wert, welcher von einer Überversorgung mit Luft, welche eine Differenz zwischen einer Menge von Luft, welche für den Ausgangsstromverbrauch benötigt wird, des Brennstoffzellenstapels und eine Menge an Luft, welche dem Brennstoffzellenstapel bereitgestellt wird, berechnet wird, und eine Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels größer ist als ein erster Referenzwert.
  6. Das Verfahren nach Anspruch 3, wobei der zweite Status ein Status ist, in welchem ein Wert, welcher aus dem Verhältnis einer Menge an Luft, welche dem Brennstoffzellenstapel bereitgestellt wird, zu einer Menge an Luft, welche für den Ausgangsstromverbrauch des Brennstoffzellenstapels benötigt wird, berechnet wird, und eine Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels größer ist als ein erster Referenzwert.
  7. Das Verfahren nach Anspruch 4, wobei der geschätzte Wert der relativen Feuchtigkeit in der Kathode des Brennstoffzellenstapels basierend auf Temperaturen in dem Kathodeneingang und -ausgang des Brennstoffzellenstapels, eine Menge an Luftfluss in einen Eingang des Brennstoffzellenstapels und eine Menge an Strom, welche in dem Brennstoffzellenstapel erzeugt wird erhalten wird.
  8. Das Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Veränderung in Restwasser basierend auf einem Wasserdampffluss in dem Kathodenausgang berechnet wird, wenn die relative Feuchtigkeit in dem Kathodenausgang der geschätzte Wert ist und wenn die relative Feuchtigkeit in dem Kathodenausgang in einem Bereich von 90% bis 110% ist.
  9. Das Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Menge an Wasserdampffluss in dem Kathodenausgang basierend auf einem Wasserdampfdruck in dem Kathodenausgang einem Luftdruck in dem Kathodenausgang basierend auf einer Menge an Luftzufluss in den Eingang des Brennstoffzellenstapels und einer Menge an Luftfluss in den Eingang des Brennstoffzellenstapels berechnet wird.
  10. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Zuweisungsprozess aufweist: Zuweisen, durch die Steuerung, eines dritten Diagnoselevels zu dem Brennstoffzellensystem, wenn eine Verschlechterung des Brennstoffzellenstapels fortgeschritten ist zu einem dritten Status aufgrund von Wassermangel, wie in Bezug auf Strom und Spannung, Impedanz oder Stromunterbrechung der Brennstoffzelle in dem Bestimmungsprozess diagnostiziert.
  11. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Regenerationsfahrmodus einen Regenerationsfahrmodus zum forcierten Kühlen des Brennstoffzellenstapels durch Anpassen der Temperatur an einem Kühleingang und -ausgang des Brennstoffzellenstapels, einen Regenerationsfahrmodus zum Verringern einer Bedingung des Eintritts in den Stopp des Brennstoffzellenstapels, einen Regenerationsfahrmodus zum Verringern einer Spannung eines Hauptbusanschlusses, welcher mit einem Ausgangsanschluss des Brennstoffzellenstapels gekoppelt ist, einen Regenerationsfahrmodus zum Reduzieren einer grundlegenden Menge an Luftzufluss und einen Regenerationsfahrmodus zum Betreiben des Brennstoffzellenstapels mit einem minimalen Stöchiometrieverhältnis (SR) aufweist.
  12. Das Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Regenerationsfahrmodus zum forcierten Kühlen des Brennstoffzellenstapels durch das Ersetzen von Zieltemperaturen in dem Kühleingang und -ausgang betrieben wird, welche niedriger sind als eine Referenztemperatur.
  13. Das Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Regenerationsfahrmodus zum forcierten Kühlen des Brennstoffzellenstapels betrieben wird, indem Temperaturen in dem Kühleingang und -ausgang größer gesetzt werden als ein vorgegebener Offset zu der aktuellen Temperatur.
  14. Das Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Regenerationsfahrprozess durch das Variieren der Referenztemperatur und des Offsets entsprechend dem zugewiesenen Diagnoselevel betrieben wird.
  15. Das Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Bedingung für den Eintritt in den Stopp, wenn ein Brennstoffzellenfahrzeug eine Last aufweist, welche geringer ist als ein vorgegebener Referenzwert, und ein Ladezustand (SOC) der Batterie größer ist als ein vorgegebener Grenzwert; und der Regenerationsfahrmodus zum Verringern einer Bedingung zum Eintritt in den Stopp ist das Erhöhen des vorgegebenen Referenzwertes und das Verringern des vorgegebenen Ladezustands.
  16. Das Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Brennstoffzellenstapel in einem Regenerationsfahrmodus betrieben wird, in welchem ein vorgegebener Referenzwert erhöht wird und der vorgegebene Ladezustand verringert wird basierend auf dem bestimmten Diagnoselevel.
  17. Das Verfahren nach Anspruch 11, wobei, wenn der Brennstoffzellenstapel in dem Regenerationsfahrmodus betrieben wird, zum Verringern einer Spannung an dem Hauptbusanschluss, welcher mit dem Ausgangsanschluss des Brennstoffzellenstapels gekoppelt ist, ferner aufweist: Bestimmen, durch die Steuerung, ob ein Laden der Batterie möglich ist, bevor mit dem Regenerationsfahren begonnen wird, und wobei der Brennstoffzellenstapel in dem Regenerationsfahrmodus zum Verringern der Spannung an dem Hauptbusanschluss darin besteht, eine obere Grenze für eine Betriebsspannung des Hauptbusanschlusses zu verringern, um zu verhindern, dass eine Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels geringer wird als eine vorgegebene Ausgangsleistung.
  18. Das Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Brennstoffzellenstapel in dem Regenerationsfahrmodus zum Verringern der Spannung an dem Hauptbusanschluss betrieben wird, welcher an den Ausgangsanschluss des Brennstoffzellenstapels gekoppelt ist, basierend auf dem diagnostizierten Diagnoselevel, auch während eines regenerativen Bremsens.
  19. Das Verfahren nach Anspruch 17, wobei, wenn der Ladezustand (SOC) der Batterie größer ist als ein vorgegebener SOC, in dem Prozess des Bestimmens, ob ein Laden der Batterie möglich ist, bevor ein Regenerationsfahren durchgeführt wird, der Brennstoffzellenstapel betrieben wird, um einen Hochspannungsheizer, welcher mit dem Ausgangsanschluss des Brennstoffzellenstapels gekoppelt ist, zu betreiben.
  20. Das Verfahren nach Anspruch 11, wobei, wenn der Brennstoffzellenstapel in einem Regenerationsfahrmodus zum Verringern einer Spannung des Hauptbusanschlusses, welcher mit dem Ausgangsanschluss des Brennstoffzellenstapels gekoppelt ist, betrieben wird, eine obere Spannungsgrenze des Hauptbusanschlusses, welcher mit dem Ausgangsanschluss des Brennstoffzellenstapels gekoppelt ist, basierend auf dem zugewiesenen Diagnoselevel, verringert wird.
  21. Das Verfahren nach Anspruch 11, wobei, wenn der Brennstoffzellenstapel in einem Regenerationsfahrmodus zum Reduzieren der grundlegenden Menge an Luft betrieben wird, die grundlegende Menge an Luft basierend auf dem zugewiesenen Diagnoselevel verringert wird.
  22. Das Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Regenerationsfahrmodus dazu gedacht ist, den Brennstoffzellenstapel mit einem minimalen Stöchiometrieverhältnis (SR) zu betreiben, das Verringern eines Steuerbereichs des Stöchiometrieverhältnisses basierend auf einer relativen Feuchtigkeit in der Kathode des Brennstoffzellenstapels aufweist, welche basierend auf einer Temperatur in dem Kathodeneingang und -ausgang des Brennstoffzellenstapels, der Menge an Luftzufluss in den Eingang des Brennstoffzellenstapels und dem durch den Brennstoffzellenstapel erzeugten Strom berechnet wird.
  23. Das Verfahren nach Anspruch 22, wobei, wenn der Brennstoffzellenstapel in dem Regenerationsfahrmodus bei minimalem Stöchiometrieverhältnis (SR) betrieben wird, der Stöchiometriesteuerbereich basierend auf dem zugewiesenen Diagnoselevel verringert wird.
  24. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Brennstoffzellenstapel in einem Modus aus einer Vielzahl von unterschiedlichen Betriebsmodi basierend auf dem zugewiesenen Diagnoselevel bestimmt wird.
  25. Ein Betriebssteuersystem für ein Brennstoffzellensystem, aufweisend: einen Speicher, welcher konfiguriert ist, Programmanweisungen zu speichern; und einen Prozessor, welcher konfiguriert ist, die Programmanweisungen auszuführen, wobei die Programmanweisungen, wenn sie ausgeführt werden, ausgebildet sind zum: Bestimmen, wenn ein Brennstoffzellenstapel einen Wassermangel aufweist, basierend auf einer Überversorgung von Luft an dem Brennstoffzellenstapel oder einer Verschlechterung des Brennstoffzellenstapels; Zuweisen eines Diagnoselevels zu dem Brennstoffzellenstapel basierend auf der Bestimmung; und Durchführen mindestens eines Regenerationsfahrmodus, welcher dem zugewiesenen Diagnoselevel entspricht.
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