DE102015204451A1

DE102015204451A1 - System und Verfahren zum Steuern einer Temperatur eines Brennstoffzellenstapels

Info

Publication number: DE102015204451A1
Application number: DE102015204451.3A
Authority: DE
Inventors: Sang Uk Kwon
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2014-11-05
Filing date: 2015-03-12
Publication date: 2016-05-12
Also published as: KR101628514B1; US9865888B2; CN106159294B; CN106159294A; US20160126565A1; KR20160054070A

Abstract

Ein System und Verfahren zum Steuern einer Temperatur eines Brennstoffzellenstapels sind vorgesehen. Das Verfahren umfasst ein Durchführen eines Pumpen-AUS-Modus, der die Kühlwasserpumpe ausschaltet oder die Kühlwasserpumpe betreibt, während die Drehzahl der Kühlwasserpumpe verringert wird, so dass sie weniger als die Referenzdrehzahl beträgt, wenn eine Kühlwasserauslasstemperatur gleich oder kleiner als eine voreingestellte erste Temperatur ist, während ein Pumpen-Normalmodus, der eine Drehzahl einer Kühlwasserpumpe einstellt, so dass sie gleich oder größer als eine voreingestellte Referenzdrehzahl ist, und die Drehzahl (Umdrehungen pro Minute – U/min) auf der Grundlage der Kühlwasserauslasstemperatur ändert, durchgeführt wird. Darüber hinaus wird der Pumpen-Normalmodus durchgeführt, wenn ein Kühlwasserauslasstemperatur-Schätzwert des Brennstoffzellenstapels eine voreingestellte zweite Temperatur überschreitet, während der Pumpen-AUS-Modus durchgeführt wird.

Description

HINTERGRUND
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System und Verfahren zum Steuern einer Temperatur eines Brennstoffzellenstapels und insbesondere ein Verfahren zum Steuern einer Temperatur eines Brennstoffzellenstapels durch Einstellen einer Spannung einer Kühlmittelpumpe und eines Stromrichters.
Beschreibung des Standes der Technik
Ein Brennstoffzellenfahrzeug umfasst einen Brennstoffzellenstapel, in dem eine Mehrzahl von als eine Energiequelle verwendete Brennstoffzellen gestapelt ist, ein Brennstoffversorgungssystem, das Wasserstoff oder dergleichen, was einen Brennstoff darstellt, an den Brennstoffzellenstapel zuführt, ein Luftversorgungssystem, das Sauerstoff zuführt, der ein für eine elektrochemische Reaktion erforderliches Oxidationsmittel darstellt, ein Wasser- und Wärme-Management-System, das eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels und dergleichen einstellt. Das Brennstoffversorgungssystem verringert einen Druck von komprimiertem Wasserstoff in einem Wasserstofftank und führt den komprimierten Wasserstoff an eine Anode des Brennstoffzellenstapels zu und das Luftversorgungssystem führt Außenluft, die durch Betreiben eines Luftgebläses angesaugt wird, an eine Kathode des Brennstoffzellenstapels zu.
Wenn Wasserstoff an die Anode des Brennstoffzellenstapels zugeführt wird und Sauerstoff an die Kathode des Brennstoffzellenstapels zugeführt wird, werden Wasserstoffionen durch eine katalytische Reaktion in der Anode getrennt. Die getrennten Wasserstoffionen werden an eine Oxidationselektrode, die die Kathode ist, durch eine Elektrolytmembran übertragen, und die in der Anode getrennten Wasserstoffionen erzeugen eine elektrochemische Reaktion zusammen mit Elektronen und dem Sauerstoff in der Oxidationselektrode, so dass elektrische Energie erhalten werden kann. Insbesondere wird eine elektrochemische Oxidation des Wasserstoffs in der Anode erzeugt und eine elektrochemische Reduktion des Sauerstoffs wird in der Kathode erzeugt. Ferner werden Elektrizität und Wärme aufgrund einer Bewegung von durch den oben erwähnten Prozess erzeugten Elektronen erzeugt und Wasserdampf oder Wasser wird durch eine chemische Bindung des Wasserstoffs mit dem Sauerstoff erzeugt.
Zusätzlich, zum Abführen von Wasserstoff, Sauerstoff und dergleichen, die nicht zu Nebenprodukten wie Wasserdampf, Wasser und Wärme reagieren, die in einem elektrischen Energieerzeugungsprozess des Brennstoffzellenstapels erzeugt werden, wird eine Ausstoßvorrichtung vorgesehen und Gase wie beispielsweise Wasserdampf, Wasserstoff und Sauerstoff werden in die Atmosphäre durch einen Ableitungsweg abgeführt. Komponenten wie beispielsweise ein Luftgebläse, ein Wasserstoffrückführungsgebläse und eine Wasserpumpe zum Betreiben der Brennstoffzelle werden mit einem Hauptbusanschluss verbunden, um eine Inbetriebnahme der Brennstoffzelle zu ermöglichen, wobei der Hauptbusanschluss mit verschiedenen Arten von Relais, die eine Stromunterbrechung und einen Stromanschluss ermöglichen, und einer Diode, die verhindert, dass ein Rückstrom in die Brennstoffzelle fließt, verbunden werden kann.
Ein Brennstoffzellensystem, das in einem Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeug verwendet wird, das eines der umweltfreundlichen Fahrzeuge darstellt, ist eingerichtet, um einen Brennstoffzellenstapel, der elektrische Energie aus einer elektrochemischen Reaktion von Reaktionsgas erzeugt, eine Wasserstoffversorgungsvorrichtung, die Wasserstoff, der einen Brennstoff darstellt, an den Brennstoffzellenstapel zuführt, eine Luftversorgungsvorrichtung, die Luft einschließlich Sauerstoff, der ein für eine elektrochemische Reaktion erforderliches Oxidationsmittel darstellt, an den Brennstoffzellenstapel zuführt, ein Wasser- und Wärme-Management-System, das eine Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels durch Abführen von Wärme, die ein Nebenprodukt der elektrochemischen Reaktion des Brennstoffzellenstapels darstellt, an die Außenseite in optimaler Weise einstellt und eine Wasser-Management-Funktion durchführt, und eine Brennstoffzellensteuerung, die das Brennstoffzellensystem betreibt, zu umfassen.
Durch diese Konfiguration erzeugt der Brennstoffzellenstapel elektrische Energie aus der elektrochemischen Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff, die Reaktionsgase sind, und führt Wärme und Wasser, die die Nebenprodukte sind, ab. Demzufolge umfasst das Brennstoffzellensystem im Wesentlichen eine Vorrichtung zum Kühlen eines Brennstoffzellenstapels, um zu verhindern, dass die Temperatur des Brennstoffzellenstapels ansteigt. Insbesondere weist eine Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (polymer electrolyte membrane fuell cell – PEMFC) Vorteile einer schnellen Anlaufzeit und einer schnellen Leistungsumwandlungs-Reaktionszeit aufgrund einer niedrigen Arbeitstemperatur bei gleichzeitiger hoher Leistungsdichte auf; jedoch benötigt die PEMFC Wasser und muss demzufolge bei einer Temperatur von ungefähr 100°C oder weniger betrieben werden.
Im Allgemeinen ist bei einem Kühlsystem für die Aufrechterhaltung des Brennstoffzellenstapels bei einer optimalen Temperatur in dem Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug eine Art von Wasserkühlung weit verbreitet, die den Brennstoffzellenstapel durch Zirkulieren/Umwälzen von Wasser durch einen Kühlwasserkanal in dem Brennstoffzellenstapel kühlt.
Ein Temperatursteuersystem des Brennstoffzellensystems ist in 1 dargestellt. Wie in 1 dargestellt, umfasst das Brennstoffzellensystem einen Kühler 60 und einen Lüfter 21, die Wärme vom Kühlwasser an die Außenseite abführen, eine Kühlwasserleitung 31, die zwischen einem Brennstoffzellenstapel 10 und dem Kühler 60 angeordnet ist, um das Kühlwasser zu zirkulieren, eine Bypass-Leitung 32 und ein 3-Wege-Ventil 33 zum Umleiten des Kühlwassers, um zu verhindern, dass Kühlwasser durch den Kühler 60 strömt, und eine Kühlwasserpumpe 70 zum Pumpen des Kühlwassers und Zuführen des gepumpten Kühlwassers durch die Kühlwasserleitung 31. Insbesondere ist die Bypass-Leitung 32 eine Kühlwasserleitung, die nicht durch den Kühler 60 verläuft, indem sie von der Kühlwasserleitung an stromaufwärts und stromabwärts liegenden Seiten des Kühlers abgezweigt ist, um Kühlwasser umzuleiten, und das 3-Wege-Ventil 40 dient dazu, um wahlweise einen Kühlwasserfluss zwischen einer Hauptleitung und der Bypass-Leitung 32 einzustellen, der nicht durch den Kühler strömt.
Indessen weist der Brennstoffzellenstapel sowohl ein Überlauf-Phänomen, wobei Wasser überläuft, als auch ein Austrocknungs-Phänomen, wobei Wasser in unzureichenden Mengen zugeführt wird, auf. Um die Phänomene zu verbessern, muss die Temperatur des Brennstoffzellenstapels innerhalb eines normalen Bereichs (z. B. in dem das Wasser nicht überläuft oder austrocknet) gehalten werden. Mit anderen Worten besteht eine Notwendigkeit für ein Verfahren zum Verhindern des Überlauf-Phänomens und des Austrocknungs-Phänomens durch Einstellen der Temperatur des Brennstoffzellenstapels, während gleichzeitig die Leistungsaufnahme minimiert wird, indem der Betrieb der Kühlwasserpumpe und des (Kühler-)Lüfters verbessert wird.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist auf ein System und Verfahren zum Einstellen einer Temperatur eines Brennstoffzellenstapels gerichtet und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Einstellen einer Temperatur eines Brennstoffzellenstapels bereitzustellen, indem eine Spannung einer Kühlmittelpumpe und eines Stromrichters eingestellt wird. Weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung können durch die folgende Beschreibung entnommen werden und werden unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ersichtlich. Zusätzlich ist es für den Durchschnittsfachmann auf dem die Erfindung betreffenden Gebiet offensichtlich, dass die Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung durch die beanspruchten Mittel und deren Kombinationen realisiert werden können.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann ein Verfahren zum Einstellen einer Temperatur eines Brennstoffzellenstapels umfassen: Durchführen eines Pumpen-AUS-Modus, der die Kühlwasserpumpe ausschaltet oder die Kühlwasserpumpe betreibt, während die Drehzahl der Kühlwasserpumpe verringert wird, so dass sie weniger als die Referenzdrehzahl beträgt, wenn eine Kühlwasserauslasstemperatur gleich oder kleiner als eine voreingestellte erste Temperatur ist, während ein Pumpen-Normalmodus, der eine Drehzahl einer Kühlwasserpumpe einstellt, so dass sie gleich oder größer als eine voreingestellte Referenzdrehzahl ist, und die Drehzahl (Umdrehungen pro Minute – U/min) auf der Grundlage der Kühlwasserauslasstemperatur ändert, durchgeführt wird; und Durchführen des Pumpen-Normalmodus, wenn ein Kühlwasserauslasstemperatur-Schätzwert des Brennstoffzellenstapels eine voreingestellte zweite Temperatur überschreitet, während der Pumpen-AUS-Modus durchgeführt wird.
In dem ersten Prozess kann der Pumpen-AUS-Modus durchgeführt werden, wenn die Kühlwasserauslasstemperatur gleich oder kleiner als die voreingestellte erste Temperatur ist und ein Heizwert des Brennstoffzellenstapels gleich oder kleiner als ein voreingestellter erster Referenzheizwert ist, und in dem zweiten Prozess kann der Pumpen-Normalmodus durchgeführt werden, wenn der Kühlwasserauslasstemperatur-Schätzwert die voreingestellte zweite Temperatur überschreitet oder der Heizwert des Brennstoffzellenstapels einen voreingestellten Referenzheizwert überschreitet. Ferner kann der Pumpen-AUS-Modus durchgeführt werden, wenn die Kühlwasserauslasstemperatur gleich oder kleiner als die voreingestellte erste Temperatur ist und eine Luftauslasstemperatur des Brennstoffzellenstapels kleiner als eine erste Luftauslasstemperatur ist, und der Pumpen-Normalmodus kann durchgeführt werden, wenn der Kühlwasserauslasstemperatur-Schätzwert die voreingestellte zweite Temperatur überschreitet oder die Luftauslasstemperatur des Brennstoffzellenstapels eine voreingestellte zweite Luftauslasstemperatur überschreitet.
Der Pumpen-AUS-Modus kann auch durchgeführt werden, wenn die Kühlwasserauslasstemperatur gleich oder kleiner als die voreingestellte erste Temperatur ist und ein Drehmomentwert, der in einem mit dem Brennstoffzellenstapel verbundenen Motor erforderlich ist, kleiner als ein voreingestelltes erstes erforderliches Drehmoment ist, für eine voreingestellte erste Zeit beibehalten wird. Der Pumpen-Normalmodus kann durchgeführt werden, wenn der Kühlwasserauslasstemperatur-Schätzwert die voreingestellte zweite Temperaturüberschreitet oder der Drehmomentwert, der in einem mit dem Brennstoffzellenstapel verbundenen Motor erforderlich ist, ein voreingestelltes zweites erforderliches Drehmoment überschreitet. Zusätzlich kann der Pumpen-Normalmodus durchgeführt werden, wenn der größere Wert des Kühlwasserauslasstemperatur-Schätzwerts des Brennstoffzellenstapels und der durch einen Temperatursensor erfassten Kühlwasserauslasstemperatur die voreingestellte zweite Temperatur überschreitet.
Die voreingestellte erste Temperatur und die voreingestellte zweite Temperatur können gleich oder kleiner als eine Soll-Kühlwassertemperatur an einer Kühlwassereinlassseite sein. Während des Pumpen-AUS-Modus kann ein Leistungsbegrenzungswert des Brennstoffzellenstapels unter Verwendung des Kühlwasserauslasstemperatur-Schätzwerts eingestellt werden. Wenn der Pumpen-AUS-Modus durchgeführt wird, kann ein Leistungsbegrenzungswert des Brennstoffzellenstapels auf der Grundlage einer Nichtzirkulation von Kühlwasser eingestellt werden. Der Kühlwasserauslasstemperatur-Schätzwert des Brennstoffzellenstapels kann auf die erfasste Kühlwassertemperatur initialisiert werden, bevor der Pumpen-AUS-Modus durchgeführt wird.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann ein Verfahren zum Steuern einer Temperatur eines Brennstoffzellenstapels umfassen: Durchführen eines Niedrigleistungs-Vermeidungsmodus, der ermöglicht, dass ein Stromrichter eine Spannungsobergrenze eines Busanschlusses verringern kann, wenn ein Kühlwasserauslasstemperatur-Berechnungswert gleich oder kleiner als eine voreingestellte dritte Temperatur ist, während ein Leistungs-Normalmodus, in dem die Spannungsobergrenze des Busanschlusses zwischen einem Ausgangsanschluss des Brennstoffzellenstapels und des Stromrichters einen vorgegebenen Wert aufweist, durchgeführt wird; und Durchführen des Leistungs-Normalmodus, wenn der Kühlwasserauslasstemperatur-Berechnungswert gleich oder größer als eine voreingestellte vierte Temperatur ist, während der Niedrigleistungs-Vermeidungsmodus durchgeführt wird. Der Kühlwasserauslasstemperatur-Berechnungswert ist ein Kühlwasserauslasstemperatur-Schätzwert in einem Pumpen-AUS-Modus, der eine Kühlwasserpumpe ausschalten kann oder die Kühlwasserpumpe betreiben kann, während eine Drehzahl der Kühlwasserpumpe derart verringert wird, so dass sie kleiner als eine voreingestellte Referenzdrehzahl ist, und kann ein Abtastwert/Erfassungswert der Kühlwasserauslasstemperatur in einem Pumpen-Normalmodus sein, der die Drehzahl der Kühlwasserpumpe einstellen kann, so dass sie gleich oder größer als die voreingestellte Referenzdrehzahl ist, und eine Drehzahl (U/min) auf der Grundlage der Kühlwasserauslasstemperatur ändern kann.
Die voreingestellte dritte Temperatur und die voreingestellte vierte Temperaturkann gleich oder kleiner als eine Soll-Kühlwassertemperatur an einer Kühlwassereinlassseite sein. In dem Niedrigleistungs-Vermeidungsmodus kann Ladestrombegrenzungswert des Stromrichters oder ein Soll-Ladezustand der Hochspannungsbatterie erhöht werden und in dem Leistungs-Normalmodus kann die Erhöhung des Ladestrombegrenzungswerts des Stromrichters oder des Soll-Ladezustandes der Hochspannungsbatterie abgebaut/verringert werden. Die Verringerung der Spannungsobergrenze des Busanschlusses und die Erhöhung des Ladestrombegrenzungswertes kann innerhalb eines Bereichs einer zulässigen Ladeleistung oder eines zulässigen Ladezustandes der Hochspannungsbatterie durchgeführt werden. Der Niedrigleistungs-Vermeidungsmodus kann nicht in dem Zustand durchgeführt werden, in dem eine Stromerzeugung des Brennstoffzellenstapels stoppt. Der Niedrigleistungs-Vermeidungsmodus kann nicht in einem regenerativen Bremszustand (Nutzbremsungszustand) durchgeführt werden.
Gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann ein Verfahren zum Steuern einer Temperatur eines Brennstoffzellenstapels umfassen: Durchführen eines Pumpen-AUS-Modus, der die Kühlwasserpumpe ausschalten oder die Kühlwasserpumpe betreiben kann, während die Drehzahl der Kühlwasserpumpe verringert wird, so dass sie kleiner als die Referenzdrehzahl ist, wenn eine Kühlwasserauslasstemperatur gleich oder kleiner als eine voreingestellte erste Temperatur ist, während ein Pumpen-Normalmodus, der eine Drehzahl einer Kühlwasserpumpe einstellen kann, so dass sie gleich oder größer als eine voreingestellte Referenzdrehzahl ist, und eine Drehzahl (U/min) auf der Grundlage der Kühlwassertemperatur ändern kann, durchgeführt wird; und Durchführen eines Niedrigleistungs-Vermeidungsmodus, der ermöglicht, dass ein Stromrichter eine Spannungsobergrenze eines Busanschlusses verringern kann, wenn ein Kühlwasserauslasstemperatur-Berechnungswert gleich oder kleiner als eine voreingestellte dritte Temperatur ist, während ein Leistungs-Normalmodus, in dem die Spanungsobergrenze des Busanschlusses zwischen einem Ausgangsanschluss des Brennstoffzellenstapels und des Stromrichters einen vorgegebenen Wert aufweist, durchgeführt wird, wobei die erste Temperatur gleich oder größer als die dritte Temperatur sein kann.
Gemäß noch einen weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann ein Verfahren zum Steuern einer Temperatur eines Brennstoffzellenstapels umfassen: Durchführen eines Pumpen-AUS-Modus, der eine Kühlwasserpumpe ausschalten oder die Kühlwasserpumpe betreiben kann, während eine Drehzahl der Kühlwasserpumpe derart verringert wird, so dass sie kleiner als eine voreingestellte Referenzdrehzahl ist, wenn ein Heizwert des Brennstoffzellenstapels gleich oder kleiner als ein voreingestellter erster Referenzheizwert ist, während ein Pumpen-Normalmodus, der eine Drehzahl der Kühlwasserpumpe einstellen kann, so dass sie gleich oder größer als eine voreingestellte Referenzdrehzahl ist, und eine Drehzahl (U/min) auf der Grundlage der Kühlwassertemperatur ändern kann, durchgeführt wird; und Durchführen eines Niedrigleistungs-Vermeidungsmodus, der ermöglicht, dass ein Stromrichter eine Spannungsobergrenze eines Busanschlusses verringern kann, wenn eine durch einen Temperatursensor erfasste Kühlwassertemperatur an einer Kühlwasserauslassseite gleich oder kleiner als eine voreingestellte dritte Temperatur ist, während ein Leistungs-Normalmodus, in dem die Spannungsobergrenze des Busanschlusses zwischen einem Ausgangsanschluss des Brennstoffzellenstapels und des Stromrichters einen vorgegebenen Wert aufweist, durchgeführt wird. Wenn der Heizwert des Brennstoffzellenstapels einen voreingestellten zweiten Referenzheizwert überschreitet, kann der Pumpen-Normalmodus nicht durchgeführt werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen und weiteren Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele derselben im Detail beschrieben, die durch die beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, welche hierin nachstehend nur zur Veranschaulichung angegeben sind und somit für die vorliegende Erfindung nicht einschränkend sind. In den Figuren zeigen/beschreiben:
1 ein beispielhaftes Konfigurationsdiagramm, das ein Temperatursteuersystem eines Brennstoffzellensystems gemäß dem Stand der Technik darstellt;
2 ein beispielhaftes Diagramm, das ein Gesamtbrennstoffzellensystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
3 ein beispielhaftes Konfigurationsdiagramm eines Stromnetzes des Brennstoffzellensystems gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 ein beispielhaftes Diagramm, das einen Standardbetrieb einer Kühlmittelpumpe in einem Verfahren zum Einstellen einer Temperatur eines Brennstoffzellenstapels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
5 einen beispielhaften Graphen, der eine Korrelation zwischen einer Umgebungstemperatur und einer Soll-Kühlwassereinlasstemperatur in dem Brennstoffzellenstapel gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt; und
6 einen beispielhaften Graphen, der eine Beziehung zwischen einem Ausgangsstrom und einer Spannung oder einer Leistung des Brennstoffzellenstapels zum Beschreiben des Verfahrens zum Einstellen einer Temperatur eines Brennstoffzellenstapels gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es versteht sich, dass der Ausdruck ”Fahrzeug” oder ”Fahrzeug-” oder andere gleichlautende Ausdrücke wie sie hierin verwendet werden, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen wie z. B. Personenkraftwagen einschließlich Sports Utility Vehicles (SUV), Busse, Lastwagen, verschiedene Nutzungsfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, einschließlich einer Vielfalt von Booten und Schiffen, Luftfahrzeugen und dergleichen einschließen, und Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-In-Hybridelektrofahrzeuge, Wasserstoffangetriebene Fahrzeuge und andere Fahrzeuge mit alternativen Kraftstoff umfassen (beispielsweise Kraftstoff, der von anderen Quellen als Erdöl gewonnen wird). Wie hierin Bezug genommen wird, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, das zwei oder mehr Antriebsquellen aufweist, wie zum Beispiel sowohl benzinbetriebene als auch elektrisch angetriebene Fahrzeuge.
Obwohl das Ausführungsbeispiel derart beschrieben wird, dass es eine Mehrzahl von Einheiten verwendet, um den beispielhaften Prozess durchzuführen, versteht es sich, dass die beispielhaften Prozesse ebenfalls durch ein oder eine Mehrzahl von Modulen durchgeführt werden können. Darüber hinaus versteht es sich, dass sich der Ausdruck Steuerung auf eine Hardware-Vorrichtung bezieht, die einen Speicher und einen Prozessor umfasst. Der Speicher ist eingerichtet, um die Module zu speichern, und der Prozessor ist insbesondere eingerichtet, um die besagten Module auszuführen, um einen oder mehrere Prozesse durchzuführen, die weiter unten beschrieben werden.
Darüber hinaus kann die Steuerlogik der vorliegenden Erfindung als nichtflüchtige computerlesbare Medien auf einem computerlesbaren Medium ausgeführt werden, das ablauffähige Programmbefehle umfasst, die durch einen Prozessor, eine Steuerung/Steuereinheit oder dergleichen ausgeführt werden. Beispiele von computerlesbaren Speichermedien umfassen in nicht einschränkender Weise ROM, RAM, Compact-Disc(CD)-ROMs, Magnetbänder, Floppydisks, Flash-Laufwerke, Smart Cards und optische Datenspeichervorrichtungen. Das computerlesbare Aufzeichnungsmedium kann ebenfalls in netzgekoppelten Computersystemen dezentral angeordnet sein, so dass das computerlesbare Medium in einer verteilten Art und Weise gespeichert und ausgeführt wird, z. B. durch einen Telematik-Server oder ein Controller Area Network (CAN).
Sofern nicht ausdrücklich angegeben oder aus dem Kontext ersichtlich, wird der Begriff ”ungefähr”, wie er hierin verwendet wird, derart verstanden, dass er innerhalb eines Bereichs mit normgemäßer Toleranz im Stand der Technik liegt, zum Beispiel innerhalb 2 Standardabweichungen der Mittelwerte. ”Ungefähr” kann derart verstanden werden, dass es innerhalb 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0,5%, 0,1%, 0,05% oder 0,01% des angegebenen Werts liegt. Soweit es sich nicht anderweitig aus dem Kontext ergibt, werden alle hierin bereitgestellten numerischen Werte durch den Begriff ”ungefähr” verändert.
Spezifische strukturelle oder funktionelle Beschreibungen in den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, die in der vorliegenden Beschreibung oder Anmeldung offenbart sind, sind nur zur Veranschaulichung der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung dargestellt. Die Beschreibungen können in verschiedenen Formen ausgeführt werden und sollten nicht als auf die in der Beschreibung oder Anwendung beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt angesehen werden.
Da Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung verschiedenartig modifiziert/geändert werden können und verschiedene Formen aufweisen können, werden bestimmte Ausführungsformen in den beigefügten Zeichnungen dargestellt und im Detail in der vorliegenden Beschreibung oder Anmeldung beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die vorliegende Erfindung nicht auf bestimmte Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern alle Modifikationen/Änderungen, Äquivalente und Ersetzungen, die in der Lehre und dem Umfang der vorliegenden Erfindung umfasst sind, umfassen.
Begriffe wie ”erste” und/oder ”zweite” können verwendet werden, um eine Vielzahl von Komponenten zu beschreiben, allerdings sind die Komponenten nicht auf die Begriffe beschränkt. Die Begriffe werden lediglich verwendet, um eine Komponente von einer weiteren Komponente zu unterscheiden. Zum Beispiel könnte die erste Komponente als die zweite Komponente bezeichnet werden, und in ähnlicher Weise könnte die zweite Komponente als die erste Komponente bezeichnet werden, ohne von dem Umfang gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Es versteht sich, dass, wenn ein Element derart bezeichnet wird, dass es mit einem weiteren Element ”gekoppelt” oder ”verbunden” ist, es mit einem weiteren Element direkt verbunden oder direkt gekoppelt sein kann oder mit einem weiteren Element verbunden oder gekoppelt sein kann, wobei ein weiteres Element dort dazwischen angeordnet sein kann. Andererseits ist es selbstverständlich, dass, wenn ein Element derart bezeichnet wird, dass es mit einem weiteren Element ”direkt gekoppelt” oder ”direkt verbunden” ist, es mit einem weiteren Element verbunden oder gekoppelt sein kann, ohne dass weitere Elemente dort dazwischen angeordnet sein. Andere Ausdrücke, die die Beziehung zwischen Elementen erläutern, wie beispielsweise ”zwischen”, ”direkt zwischen”, ”benachbart/neben” oder ”direkt benachbart/neben” sollten in der gleichen Art und Weise ausgelegt werden.
Die hierin verwendete Terminologie ist zum Zwecke der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen vorgesehen und ist nicht dazu bestimmt, die Erfindung einzuschränken. Wie hierin verwendet, sind die Singularformen ”ein”, ”eine/einer” und ”der/die/das” dazu vorgesehen, dass sie ebenso die Pluralformen umfassen, wenn aus dem Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes hervorgeht. Es versteht sich ferner, dass die Ausdrücke ”aufweisen” und/oder ”aufweisend”, wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, die Anwesenheit der angegebenen Merkmale, Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Komponenten beschreiben, aber nicht das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einen oder mehreren Merkmalen, Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließen. Wie hierin verwendet, umfasst der Ausdruck ”und/oder” jede und sämtliche Kombinationen von einem oder mehreren der zugeordneten aufgeführten Elemente.
Wenn nichts anderes angegeben ist, haben alle hierin verwendeten Begriffe/Ausdrücke einschließlich technischer und wissenschaftlicher Begriffe/Ausdrücke dieselbe Bedeutung wie jene, die üblicherweise von einem Durchschnittsfachmann verstanden werden. Es versteht sich ferner, dass Ausdrücke/Begriffe, die durch das Wörterbuch definiert sind, mit der Bedeutung im Kontext des Standes der Technik konsistent sind, und sie nicht in einem idealisierten oder übermäßig formalen Sinne ausgelegt werden sollten, sofern der Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes angibt.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Gleiche Bezugszeichen, die in jeder Zeichnung vorgeschlagen werden, bezeichnen gleiche Komponenten.
2 ein beispielhaftes Diagramm, das ein Gesamtbrennstoffzellensystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Wie in 2 dargestellt, kann das Brennstoffzellensystem 100 umfassen einen Brennstoffzellenstapel 10, ein Warmlaufen des Brennstoffzellenstapels 10, eine Brennstoffzellen-Lastvorrichtung 20, die eingerichtet ist, um zu verhindern, dass eine Spannung des Brennstoffzellenstapels 10 während einer Inbetriebnahme und eines Ausschaltens ansteigt, ein Luftgebläse 30, eine Befeuchtungsvorrichtung (Befeuchter) 40, Luftabsperrventile 35 und 45 an einer Einlassseite und einer Auslassseite, ein Ablassventil 42, ein Spülventil 44, das eingerichtet ist, um Wasserstoff von einer Anode abzuführen und zu spülen, um Fremdstoffe wie beispielsweise Tröpfchen und Stickstoff von einer Bipolarplatte in dem Brennstoffzellenstapel 10 zu entfernen und um die Wasserstoffnutzung zu erhöhen, einen Wasserabscheider 50, eine Wasserstoffrückführungsvorrichtung 55, die eingerichtet ist, um nicht umgesetzten Wasserstoff, der übrig bleibt, nachdem der Wasserstoff in der Anode des Brennstoffzellenstapels 10 verwendet wird, an die Anode des Brennstoffzellenstapels 10 zurückzuführen, um die Wiederverwendung des Wasserstoffs zu fördern, ein Wasserstoffversorgungsventil 57, einen Kühler 60 und ein Thermostat 65.
Obwohl nicht in 1 dargestellt, kann eine Steuerung eingerichtet sein, um ein Öffnen und Schließen von verschiedenen Arten von Typen zu betreiben/steuern und um einen Heizwert des Brennstoffzellenstapels 10 zu messen, und kann eingerichtet sein, um Erfassungswerte eines Temperatursensors, eines Spannungs- und Stromsensors und dergleichen zu empfangen, um jede Komponente des Brennstoffzellensystems zu betreiben.
3 zeigt ein beispielhaftes Konfigurationsdiagramm eines Stromnetzes des Brennstoffzellensystems gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie in 3 dargestellt, kann ein elektrisches Brennstoffzellen-Batterie-Hybridsystem für ein Fahrzeug umfassen die Brennstoffzelle 10, die eine Hauptstromquelle darstellt, und eine Hochspannungsbatterie (Hauptbatterie) 220, die eine Hilfsstromquelle darstellt, die über einen Hauptbusanschluss 211 zueinander parallel geschaltet werden können, einen bidirektionalen Hochspannungs-Gleichspannungs-(direct current-direct current – DC/DC)Wandler 221, der mit der Hochspannungsbatterie 220 verbunden ist, um eine Ausgangsleistung der Hochspannungsbatterie 220 einzustellen, einen Wechselrichter (Inverter) 231, der verbunden ist mit der Brennstoffzelle 10 und dem Hauptbusanschluss 211, der eine Ausgangsseite der Hochspannungsbatterie 220 darstellt, einen Antriebsmotor 232, der mit dem Wechselrichter 231 verbunden ist, eine Hochspannungslast 233, eine Niederspannungsbatterie (Hilfsbatterie) 240, eine Niederspannungslast 241 in einem Fahrzeug mit Ausnahme des Wechselrichters 231 und des Antriebsmotors 232, einen Niederspannungs-DC/DC-Wandler 242, der die Niederspannungsbatterie 240 und den Hauptbusanschluss 211 verbindet, um eine Hochspannung in eine Niedrigspannung umzuwandeln, und eine Brennstoffzellen-Lastvorrichtung 20.
In dieser Anordnung können der Brennstoffzellenstapel 10, der als die Hauptstromquelle des Fahrzeugs verwendet wird, und die Hochspannungsbatterie 220, die als die Hilfsstromquelle verwendet wird, zu jeder Last in dem System, wie beispielsweise der Wechselrichter 231/Antriebsmotor 232, über den Hauptbusanschluss 211 parallel geschaltet werden, und der bidirektionale Hochspannungs-DC/DC-Wandler 221, der mit einer Hochspannungsbatterieklemme verbunden ist, kann mit dem Hauptbusanschluss 211, der eine Ausgansseite des Brennstoffzellenstapels 10 darstellt, verbunden werden, um eine Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels 10 und die Ausgangsleistung der Hochspannungsbatterie 220 durch Einstellen der Spannung (z. B. Ausgangsspannung zum Hauptbusanschluss) von dem bidirektionalen Hochspannungs-DC/DC-Wandler 221 zu steuern/regeln.
Ein Ausgangsanschluss des Brennstoffzellenstapels 10 kann mit einer Diode 213 verbunden werden, um zu verhindern, dass ein Rückstrom fließt. Ein Relais 214, das vorgesehen ist, um wahlweise den Brennstoffzellenstapel 10 mit dem Hauptbusanschluss 211 zu verbinden, kann ebenfalls angebracht werden. Das Relais 214 kann in einem verbundenen Zustand bleiben, während ein Fahrzeug, in dem der Brennstoffzellenstapel 10 betrieben wird, gefahren/angetrieben wird und wenn sich das Brennstoffzellensystem in einem Leerlaufstopp-/Neustartzustand befindet, und befindet sich in einem Unterbrechungszustand während eines Schlüssel-Aus (z. B. normales Abschalten/Abstellen basierend auf dem Schlüssel-Aus) oder einer Notfallabschaltung. Die in 1 dargestellte Brennstoffzellen-Lastvorrichtung 20 kann die Hochspannungsbatterie 220, die Hochspannungslast 233, den Antriebsmotor 232 und dergleichen umfassen, die in 2 dargestellt sind.
4 zeigt ein beispielhaftes Diagramm, das einen Standardbetrieb einer Kühlmittelpumpe in einem Verfahren zum Einstellen einer Temperatur eines Brennstoffzellenstapels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt und 5 zeigt einen beispielhaften Graphen, der eine Korrelation zwischen einer Umgebungstemperatur und einer Soll-Kühlwassereinlasstemperatur in dem Brennstoffzellenstapel gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
4 stellt Abschnitte TH1 < TH2 < TH3 < TH4 < TH5 < TH6 für jeden Schritt dar, der zuvor für eine Kühlwasserauslasstemperatur des Brennstoffzellenstapels 10 eingestellt wird. Zuerst kann das Verfahren zum Einstellen einer Temperatur eines Brennstoffzellenstapels 10 umfassen ein Ausschalten, durch eine Steuerung, der Kühlwasserpumpe 70 oder Betreiben (z. B. einen Pumpen-AUS-Modus durchführen) der Kühlwasserpumpe 70, während eine Drehzahl der Kühlwasserpumpe 70 verringert wird, so dass sie kleiner als eine voreingestellte Referenzdrehzahl (z. B. voreingestellte Basisdrehzahl ist), wenn die Kühlwassertemperatur an der Kühlwasserauslassseite gleich oder kleiner als eine erste Temperatur T1 ist.
Wie in 4 dargestellt, kann die Drehzahl (U/min) der Kühlwasserpumpe, die eingerichtet ist, um Kühlwasser an den Brennstoffzellenstapel 10 zuzuführen, auf der Grundlage der voreingestellten Temperaturabschnitte für jeden Schritt basierend darauf, zu welchem Abschnitt die Kühlwassertemperatur an der Kühlwasserauslassseite des Brennstoffzellenstapels 10 gehört, unterschiedlich/verschiedenartig eingestellt werden.
Obwohl nicht in 4 dargestellt, wenn der Heizwert des Brennstoffzellenstapels 10 gleich oder kleiner als ein erster Referenzheizwert ist, kann die Steuerung auch eingerichtet sein, um die Kühlwasserpumpe 70 auszuschalten oder die Kühlwasserpumpe 70 zu betreiben (z. B. den Pumpen-AUS-Modus durchführen), während die Drehzahl des Kühlwasserpumpe 70 auf die voreingestellte Referenzdrehzahl verringert wird, und wenn die Luftauslasstemperatur des Brennstoffzellenstapels kleiner als eine voreingestellte erste Luftauslasstemperatur ist, kann die Steuerung eingerichtet sein, um die Kühlwasserpumpe 70 auszuschalten oder die Kühlwasserpumpe zu betreiben, während die Drehzahl der Kühlwasserpumpe auf die die voreingestellte Referenzdrehzahl verringert wird.
Ferner, wenn ein Drehmomentwert, der in dem mit dem Brennstoffzellenstapel verbundenen Motor erforderlich ist, kleiner als ein erstes erforderliches Drehmoment ist und für eine erste Zeitdauer beibehalten wird, kann die Steuerung eingerichtet sein, um die Kühlwasserpumpe 70 auszuschalten oder die Kühlwasserpumpe 70 zu betreiben (z. B. den Pumpen-AUS-Modus durchführen), während eine Drehzahl der Kühlwasserpumpe 70 verringert wird, so dass sie kleiner als die voreingestellte Referenzdrehzahl ist. In Erwiderung auf ein Bestimmen, dass der größere Wert eines Kühlwassertemperatur-Schätzwerts an der Kühlwasserauslassseite des Brennstoffzellenstapels und der durch den Temperatursensor erfassten Kühlwassertemperatur an der Kühlwasserauslassseite eine zweite Temperatur durch Ausschalten der Kühlwasserpumpe 70 oder Betreiben der Kühlwasserpumpe 70 während eines Verringerns der Drehzahl der Kühlwasserpumpe 70, so dass sie kleiner als eine niedrigste Drehzahl ist, überschreitet, kann die Steuerung eingerichtet sein, um die Kühlwasserpumpe 70 normal zu betreiben (z. B. einen Pumpen-Normalmodus durchführen). Der Kühlwassertemperatur-Schätzwert kann durch das Verfahren erhalten werden, das in der koreanischen Offenlegungsschrift Nr. 2011-0138443 offenbart wird.
Zusätzlich, wenn der Heizwert des Brennstoffzellenstapels 10 einen voreingestellten zweiten Referenzheizwert überschreitet, wenn die Luftauslasstemperatur des Brennstoffzellenstapels 10 eine zweite Luftauslasstemperatur überschreitet, oder wenn der Drehmomentwert, der in dem mit dem Brennstoffzellenstapel 10 verbundenen Motor erforderlich ist, ein voreingestelltes zweites erforderliches Drehmoment überschreitet, kann die Steuerung eingerichtet sein, um die Kühlwasserpumpe 70 normal zu betreiben (den Pumpen-Normalmodus durchführen). Selbst wenn der größere Wert des Kühlwassertemperatur-Schätzwerts an der Kühlwasserauslassseite des Brennstoffzellenstapels 10 und der durch den Temperatursensor erfassten Kühlwassertemperatur an der Kühlwasserauslassseite gleich oder größer als die voreingestellte zweite Temperatur ist, kann die Steuerung eingerichtet sein, um die Kühlwasserpumpe 70 normal zu betreiben. Insbesondere können die voreingestellte erste Temperatur und die voreingestellte zweite Temperatur voreingestellt werden, so dass sie gleich oder kleiner als die Soll-Kühlwassertemperatur an der Kühlwassereinlassseite sind. Ferner kann die voreingestellte zweite Temperatur voreingestellt werden, so dass sie größer als die voreingestellte erste Temperatur ist, und der voreingestellte zweite Referenzheizwert kann voreingestellt werden, so dass er größer als der erste Referenzheizwert ist.
Weiterhin, wenn der Pumpen-AUS-Modus durchgeführt wird, kann ein Leistungsbegrenzungswert des Brennstoffzellenstapels auf der Grundlage des Kühlwassertemperatur-Schätzwerts an der Kühlwasserauslassseite eingestellt werden. Wenn der Pumpen-AUS-Modus durchgeführt wird, kann der Leistungsbegrenzungswert des Brennstoffzellenstapels auf der Grundlage der Nichtzirkulation des Kühlwassers eingestellt werden. Zum Beispiel kann, wenn der Pumpen-AUS-Modus durchgeführt wird, der Leistungsbegrenzungswert des Brennstoffzellenstapels derart eingestellt werden, um in etwa 30% zu betragen. Wenn der Pumpen-AUS-Modus durchgeführt wird, kann das Kühlwasser nicht zirkuliert werden (z. B. kann verhindert oder gestoppt werden, dass es zirkuliert wird) und demzufolge ist es nicht notwendig, dass der Strombegrenzungswert während der Nichtzirkulation des Kühlwassers eingestellt wird. Als Referenz kann ein Anfangswert des Temperaturschätzwerts derart eingestellt werden, dass er ein Temperatursensorwert des Kühlwasserauslasses wird, bevor der Pumpen-AUS-Modus durchgeführt wird. Mit anderen Worten kann der Anfangswert des Temperaturschätzwerts auf den Temperatursensorwert jedes Mal initialisiert werden, bevor der Pumpen-AUS-Modus durchgeführt wird.
Wenn die Kühlwasserpumpe 70 ausgeschaltet wird, kann ein Drehzahl-Sollwert der Kühlwasserpumpe 70 0 werden und wenn die Kühlwasserpumpe 70 betrieben wird, während eine Drehzahl der Kühlwasserpumpe 70 verringert wird, so dass sie kleiner als eine minimale Drehzahl ist, kann der Drehzahl-Sollwert kleiner als min_rpm (z. B. ungefähr 1500 U/min) sein, die eine niedrigste Drehzahl sein kann.
6 zeigt einen beispielhaften Graphen, der eine Beziehung zwischen einem Ausgangsstrom und einer Spannung oder einer Leistung des Brennstoffzellenstapels zum Beschreiben des Verfahrens zum Einstellen einer Temperatur eines Brennstoffzellenstapels gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Insbesondere zeigt 6 ein beispielhaftes Diagramm, das ein Verfahren zum Verbessern eines Brennstoffzellenstapels durch Laden der Hochspannungsbatterie 220 unter den Verfahren zum Einstellen einer Temperatur eines Brennstoffzellenstapels gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
Mit anderen Worten kann das Verfahren zum Verbessern eines Brennstoffzellenstapels durch Laden der Hochspannungsbatterie 220 eine niedrige Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels vermeiden. Als ein Ergebnis, wenn der Kühlwassertemperatur-Schätzwert an dem Kühlwasserauslass des Brennstoffzellenstapels oder die durch den Temperatursensor erfasste Kühlwassertemperatur (z. B. Kühlwassertemperatur-Berechnungswert), während der Leistungs-Normalmodus durchgeführt wird, gleich oder kleiner als eine dritte Temperatur (im Folgenden Bedingung 1) ist, kann der Stromrichter 221, der den Ausgangsanschluss des Brennstoffzellenstapels mit der Hochspannungsbatterie 220 verbindet, eingerichtet sein, um eine Spannungsobergrenze des Busanschlusses zwischen dem Ausgangsanschluss des Brennstoffzellenstapels und dem Stromrichter zu reduzieren (z. B. einen Niedrigleistungs-Vermeidungsmodus durchführen). Ferner kann unter der Bedingung 1 der Stromrichter 221 eingerichtet sein, um einen Ladestrombegrenzungswert des Stromrichters 221 zu erhöhen und um einen Soll-Ladezustand (state of charge – SOC) zu erhöhen.
Andererseits, wenn der Kühlwassertemperatur-Schätzwert an dem Kühlwasserauslass des Brennstoffzellenstapels oder die durch den Temperatursensor erfasste Kühlwassertemperatur (z. B. Kühlwassertemperatur-Berechnungswert) gleich oder größer als eine vierte Temperatur ist (im Folgenden Bedingung 2), kann der Stromrichter 221 eingerichtet sein, um die verringerte Spannungsobergrenze auf einen ursprünglichen Wert wiederherzustellen (z. B. den Leistungs-Normalmodus durchführen). Ferner kann beim Erfüllen der Bedingung 2 der Stromrichter eingerichtet sein, um den zuvor erhöhten Ladestrombegrenzungswert und Soll-Ladezustand auf einen ursprünglichen Wert wiederherzustellen (z. B. zunehmend Abbauen). Insbesondere können die voreingestellte dritte Temperatur und die voreingestellte vierte Temperatur vorhanden sein, um gleich oder kleiner als die Soll-Kühlwassertemperatur an dem Kühlwassereinlass zu sein, und die voreingestellte vierte Temperatur kann vorhanden sein, um größer als die voreingestellte dritte Temperatur zu sein. Die voreingestellte vierte Temperatur kann kleiner als die voreingestellte erste Temperatur sein.
Der Ladestrombegrenzungswert und der Soll-Ladezustand können durch Verringern und Wiedererlangen der Spannungsobergrenze eingestellt werden. Ferner kann die Verringerung der Spannungsobergrenze des Stromrichters 221 nicht durchgeführt werden, wenn die Ladeleistung, die von dem Brennstoffzellenstapel abgegeben wird, eine zulässige Ladeleistung der Hochspannungsbatterie 220 überschreitet oder wenn der Ladezustand der Hochspannungsbatterie 220 den zulässigen Ladezustand überschreitet. Die Verringerung der Spannungsobergrenze des Stromrichters 221 kann nicht in einem Brennstoffzellen-Stopp-(fuel cell stop – FC stop) Zustand oder einem Nutzbremsungszustand durchgeführt werden.
Wenn die Kühlwassertemperatur gleich oder kleiner als die erste Temperatur ist, auch wenn die Kühlwasserpumpe 70 ausgeschaltet wird oder die Kühlwasserpumpe 70 betrieben wird, während die Drehzahl der Kühlwasserpumpe 70 derart verringert wird, dass sie kleiner als die voreingestellte Referenzdrehzahl ist, wenn der Kühlwassertemperatur-Schätzwert an dem Kühlwasserauslass des Brennstoffzellenstapels oder die durch den Temperatursensor erfasste Kühlwassertemperatur (die sich unterscheidet, wenn der Pumpen-AUS-Modus durchgeführt wird oder wenn der Pumpen-Normalmodus durchgeführt wird) an dem Kühlwasserauslass gleich oder kleiner als die dritte Temperatur ist, die voreingestellt wird, um kleiner als die voreingestellte erste Temperatur zu sein, kann der Stromrichter eingerichtet sein, um die Spannungsobergrenze des Busanschlusses zu verringern, um die Leistung des Brennstoffzellenstapels in die Hochspannungsbatterie 220 zu laden und um die Temperatur des Brennstoffzellenstapels zu erhöhen. Mit anderen Worten, da die Temperatur des Brennstoffzellenstapels schrittweise verringert wird, kann die Verringerung der Temperatur verhindert werden, indem der Pumpen-AUS-Modus durchgeführt wird, und wenn die Temperatur weiter verringert wird, kann die Temperatur des Brennstoffzellenstapels durch Laden der Batterie erhöht werden.
Außerdem, wenn der Heizwert des Brennstoffzellenstapels gleich oder kleiner als der voreingestellte erste Referenzheizwert ist, wenn die Kühlwasserpumpe 70 ausgeschaltet wird oder betrieben wird, während die Drehzahl der Kühlwasserpumpe 70 verringert wird, dass sie kleiner als die voreingestellte Referenzdrehzahl ist, und wenn dann der Heizwert des Brennstoffzellenstapels den voreingestellten zweiten Referenzheizwert überschreitet, kann die Kühlwasserpumpe 70 normal betrieben werden (z. B. in dem Pumpen-Normalmodus betrieben werden). Insbesondere während der Leistungs-Normalmodus, in dem die Spannungsobergrenze des Busanschlusses zwischen dem Ausgangsanschluss des Brennstoffzellenstapels und dem Stromrichter einen vorgegebenen Wert aufweist, wenn die durch den Temperatursensor Kühlwassertemperatur an der Kühlwasserauslassseite erfasst wird, kann der Stromrichter eingerichtet sein, um den Niedrigleistungs-Vermeidungsmodus durchzuführen, der die Spannungsobergrenze des Busanschlusses reduziert, und kann somit den Pumpen-Normalmodus nicht durchführen, wenn der Heizwert des Brennstoffzellenstapels den voreingestellten Referenzheizwert überschreitet. Mit anderen Worten kann die Spannungsobergrenze des Stromrichters 221 verringert werden, um zu verhindern, dass die Kühlwasserpumpe 70 normal betrieben wird, auch wenn die Leistung des Brennstoffzellenstapels erzeugt wird, um den Heizwert zu erhöhen.
Gemäß dem Verfahren zum Steuern einer Temperatur eines Brennstoffzellenstapels gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann es möglich sein, die Temperatur des Brennstoffzellenstapels innerhalb eines normalen Bereichs zu halten, indem die Kühlwasserpumpe auf der Grundlage der Kühlwassertemperatur an dem Kühlwasserauslass ein- und ausgeschaltet wird, und somit das Phänomen des Überlaufens und der Austrocknung des Brennstoffzellenstapels verhindern. Ferner, wenn es notwendig ist, die Temperatur des Brennstoffzellenstapels zu erhöhen, kann es möglich sein, die Temperatur des Brennstoffzellenstapels durch Laden der Batterie zu erhöhen.
Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf in den beigefügten Zeichnungen gezeigte Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, stellt dies nur ein Beispiel dar. Es versteht sich für einen Durchschnittsfachmann, dass verschiedene Modifikationen und äquivalente weitere Ausführungsbeispiele aus der vorliegenden Erfindung möglich sind. Demzufolge soll der tatsächliche technische Schutzbereich der vorliegenden Erfindung durch die folgenden Ansprüche bestimmt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

KR 2011-0138443 [0046]

Claims

Verfahren zum Steuern einer Temperatur eines Brennstoffzellenstapels, aufweisend: Durchführen eines Pumpen-AUS-Modus, der die Kühlwasserpumpe ausschaltet oder die Kühlwasserpumpe betreibt, während die Drehzahl der Kühlwasserpumpe verringert wird, so dass sie weniger als die Referenzdrehzahl beträgt, wenn eine Kühlwasserauslasstemperatur gleich oder kleiner als eine voreingestellte erste Temperatur ist, während ein Pumpen-Normalmodus, der eine Drehzahl einer Kühlwasserpumpe einstellt, so dass sie gleich oder größer als eine voreingestellte Referenzdrehzahl ist, und die Drehzahl (Umdrehungen pro Minute – U/min) auf der Grundlage der Kühlwasserauslasstemperatur ändert, durchgeführt wird; und Durchführen des Pumpen-Normalmodus, wenn ein Kühlwasserauslasstemperatur-Schätzwert des Brennstoffzellenstapels eine voreingestellte zweite Temperatur überschreitet, während der Pumpen-AUS-Modus durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, der Pumpen-AUS-Modus durchgeführt wird, wenn die Kühlwasserauslasstemperatur gleich oder kleiner als die voreingestellte erste Temperatur ist und ein Heizwert des Brennstoffzellenstapels gleich oder kleiner als ein voreingestellter erster Referenzheizwert ist, und der Pumpen-Normalmodus durchgeführt wird, wenn der Kühlwasserauslasstemperatur-Schätzwert die voreingestellte zweite Temperatur überschreitet oder der Heizwert des Brennstoffzellenstapels einen voreingestellten zweiten Referenzheizwert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Pumpen-AUS-Modus durchgeführt wird, wenn die Kühlwasserauslasstemperatur gleich oder kleiner als die voreingestellte erste Temperatur ist und eine Luftauslasstemperatur des Brennstoffzellenstapels kleiner als eine erste Luftauslasstemperatur ist, und der Pumpen-Normalmodus kann durchgeführt wird, wenn der Kühlwasserauslasstemperatur-Schätzwert die voreingestellte zweite Temperatur überschreitet oder die Luftauslasstemperatur des Brennstoffzellenstapels eine voreingestellte zweite Luftauslasstemperatur überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Pumpen-AUS-Modus durchgeführt wird, wenn die Kühlwasserauslasstemperatur gleich oder kleiner als die voreingestellte erste Temperatur ist und ein Drehmomentwert, der in einem mit dem Brennstoffzellenstapel verbundenen Motor erforderlich ist, kleiner als ein voreingestelltes erstes erforderliches Drehmoment ist, und der Pumpen-Normalmodus durchgeführt wird, wenn der Kühlwasserauslasstemperatur-Schätzwert die voreingestellte zweite Temperatur überschreitet oder der Drehmomentwert, der in einem mit dem Brennstoffzellenstapel verbundenen Motor erforderlich ist, ein voreingestelltes zweites erforderliches Drehmoment überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Pumpen-Normalmodus durchgeführt wird, wenn ein größter Wert des Kühlwasserauslasstemperatur-Schätzwerts des Brennstoffzellenstapels und der durch einen Temperatursensor erfassten Kühlwasserauslasstemperatur die voreingestellte zweite Temperatur überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die voreingestellte erste Temperatur und die voreingestellte zweite Temperatur gleich oder kleiner als eine Soll-Kühlwassertemperatur an einer Kühlwassereinlassseite sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei während des Pumpen-AUS-Modus ein Leistungsbegrenzungswert des Brennstoffzellenstapels unter Verwendung des Kühlwasserauslasstemperatur-Schätzwerts eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei, wenn der Pumpen-AUS-Modus durchgeführt wird, ein Leistungsbegrenzungswert des Brennstoffzellenstapels auf der Grundlage einer Nichtzirkulation von Kühlwasser eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Kühlwasserauslasstemperatur-Schätzwert des Brennstoffzellenstapels auf die erfasste Kühlwassertemperatur initialisiert wird, bevor der Pumpen-AUS-Modus durchgeführt wird.
Verfahren zum Steuern einer Temperatur eines Brennstoffzellenstapels, aufweisend: Durchführen eines Niedrigleistungs-Vermeidungsmodus, um zu ermöglichen, dass ein Stromrichter eine Spannungsobergrenze eines Busanschlusses verringert, wenn ein Kühlwasserauslasstemperatur-Berechnungswert gleich oder kleiner als eine voreingestellte dritte Temperatur ist, während ein Leistungs-Normalmodus, in dem die Spannungsobergrenze des Busanschlusses zwischen einem Ausgangsanschluss des Brennstoffzellenstapels und des Stromrichters einen vorgegebenen Wert aufweist, durchgeführt wird; und Durchführen des Leistungs-Normalmodus, wenn der Kühlwasserauslasstemperatur-Berechnungswert gleich oder größer als eine voreingestellte vierte Temperatur ist, während der Niedrigleistungs-Vermeidungsmodus durchgeführt wird, wobei der Kühlwasserauslasstemperatur-Berechnungswert ein Kühlwasserauslasstemperatur-Schätzwert in einem Pumpen-AUS-Modus ist, der eine Kühlwasserpumpe ausschaltet oder die Kühlwasserpumpe betreibt, während eine Drehzahl der Kühlwasserpumpe verringert wird, so dass sie kleiner als eine voreingestellte Referenzdrehzahl ist, und ein Abtastwert der Kühlwasserauslasstemperatur in einem Pumpen-Normalmodus ist, der die Drehzahl der Kühlwasserpumpe einstellt, so dass sie gleich oder größer als die voreingestellte Referenzdrehzahl ist, und eine Drehzahl (U/min) auf der Grundlage der Kühlwasserauslasstemperatur ändert.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die voreingestellte dritte Temperatur und die voreingestellte vierte Temperatur gleich oder kleiner als eine Soll-Kühlwassertemperatur an einer Kühlwassereinlassseite sind.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei in dem Niedrigleistungs-Vermeidungsmodus ein Ladestrombegrenzungswert des Stromrichters oder ein Soll-Ladezustand der Hochspannungsbatterie erhöht werden und in dem Leistungs-Normalmodus die Erhöhung des Ladestrombegrenzungswerts des Stromrichters oder des Soll-Ladezustandes der Hochspannungsbatterie abgebaut wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Verringerung der Spannungsobergrenze des Busanschlusses und die Erhöhung des Ladestrombegrenzungswertes innerhalb eines Bereichs einer zulässigen Ladeleistung oder eines zulässigen Ladezustandes der Hochspannungsbatterie durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Niedrigleistungs-Vermeidungsmodus nicht durchgeführt wird, wenn eine Stromerzeugung des Brennstoffzellenstapels stoppt.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Niedrigleistungs-Vermeidungsmodus nicht in einem regenerativen Bremszustand durchgeführt wird.
Verfahren zum Steuern einer Temperatur eines Brennstoffzellenstapels, aufweisend: Durchführen eines Pumpen-AUS-Modus, der die Kühlwasserpumpe ausschaltet oder die Kühlwasserpumpe betreibt, während die Drehzahl der Kühlwasserpumpe verringert wird, so dass sie kleiner als die Referenzdrehzahl ist, wenn eine Kühlwasserauslasstemperatur gleich oder kleiner als eine voreingestellte erste Temperatur ist, während ein Pumpen-Normalmodus, der eine Drehzahl einer Kühlwasserpumpe einstellt, so dass sie gleich oder größer als eine voreingestellte Referenzdrehzahl ist, und eine Drehzahl (U/min) auf der Grundlage der Kühlwassertemperatur ändert, durchgeführt wird; und Durchführen eines Niedrigleistungs-Vermeidungsmodus, der ermöglicht, dass ein Stromrichter eine Spannungsobergrenze eines Busanschlusses verringert, wenn ein Kühlwasserauslasstemperatur-Berechnungswert gleich oder kleiner als eine voreingestellte dritte Temperatur ist, während ein Leistungs-Normalmodus, in dem die Spanungsobergrenze des Busanschlusses zwischen einem Ausgangsanschluss des Brennstoffzellenstapels und des Stromrichters einen vorgegebenen Wert aufweist, durchgeführt wird, wobei der Kühlwasserauslasstemperatur-Berechnungswert ein Kühlwasserauslasstemperatur-Schätzwert in dem Pumpen-AUS-Modus ist und ein Abtastwert der Kühlwasserauslasstemperatur in dem Pumpen-Normalmodus ist, und wobei die erste Temperatur gleich oder größer als die dritte Temperatur ist.
Verfahren zum Steuern einer Temperatur eines Brennstoffzellenstapels, aufweisend: Durchführen eines Pumpen-AUS-Modus, der eine Kühlwasserpumpe ausschaltet oder die Kühlwasserpumpe betreibt, während eine Drehzahl der Kühlwasserpumpe derart verringert wird, so dass sie kleiner als eine voreingestellte Referenzdrehzahl ist, wenn eine Kühlwasserauslasstemperatur gleich oder kleiner als eine voreingestellte erste Temperatur ist und ein Heizwert des Brennstoffzellenstapels gleich oder kleiner als ein voreingestellter erster Referenzheizwert ist, während ein Pumpen-Normalmodus, der eine Drehzahl der Kühlwasserpumpe einstellt, so dass sie gleich oder größer als eine voreingestellte Referenzdrehzahl ist, und eine Drehzahl (U/min) auf der Grundlage der Kühlwassertemperatur ändert, durchgeführt wird; und Durchführen eines Niedrigleistungs-Vermeidungsmodus, der ermöglicht, dass ein Stromrichter eine Spannungsobergrenze eines Busanschlusses verringert, wenn ein Kühlwasserauslasstemperatur-Berechnungswert gleich oder kleiner als eine voreingestellte dritte Temperatur ist, während ein Leistungs-Normalmodus, in dem die Spannungsobergrenze des Busanschlusses zwischen einem Ausgangsanschluss des Brennstoffzellenstapels und des Stromrichters einen vorgegebenen Wert aufweist, durchgeführt wird, wobei der erste Referenz-Heizwert gleich oder größer als ein Heizwert des Brennstoffzellenstapels in dem Niedrigleistungs-Vermeidungsmodus ist und der Kühlwasserauslasstemperatur-Berechnungswert ein Kühlwasserauslasstemperatur-Schätzwert in dem Pumpen-AUS-Modus ist und ein Abtastwert der Kühlwasserauslasstemperatur in dem Pumpen-Normalmodus ist.
System zum Steuern einer Temperatur eines Brennstoffzellenstapels, aufweisend: einen Speicher, der eingerichtet ist, um Programmbefehle zu speichern; und einen Prozessor, der eingerichtet ist, um die Programmbefehle auszuführen, wobei die Programmbefehle, wenn sie ausgeführt werden, eingerichtet sind, um: einen Pumpen-AUS-Modus durchzuführen, der die Kühlwasserpumpe ausschaltet oder die Kühlwasserpumpe betreibt, während die Drehzahl der Kühlwasserpumpe verringert wird, so dass sie weniger als die Referenzdrehzahl beträgt, wenn eine Kühlwasserauslasstemperatur gleich oder kleiner als eine voreingestellte erste Temperatur ist, während ein Pumpen-Normalmodus, der eine Drehzahl einer Kühlwasserpumpe einstellt, so dass sie gleich oder größer als eine voreingestellte Referenzdrehzahl ist, und eine Drehzahl (Umdrehungen pro Minute – U/min) auf der Grundlage der Kühlwasserauslasstemperatur ändert, durchgeführt wird; und den Pumpen-Normalmodus durchzuführen, wenn ein Kühlwasserauslasstemperatur-Schätzwert des Brennstoffzellenstapels eine voreingestellte zweite Temperatur überschreitet, während der Pumpen-AUS-Modus durchgeführt wird.
System nach Anspruch 18, wobei der Pumpen-AUS-Modus durchgeführt wird, wenn die Kühlwasserauslasstemperatur gleich oder kleiner als die voreingestellte erste Temperatur ist und ein Heizwert des Brennstoffzellenstapels gleich oder kleiner als ein voreingestellter erster Referenzheizwert ist, und der Pumpen-Normalmodus durchgeführt wird, wenn der Kühlwasserauslasstemperatur-Schätzwert die voreingestellte zweite Temperatur überschreitet oder der Heizwert des Brennstoffzellenstapels einen voreingestellten zweiten Referenzheizwert überschreitet.
System nach Anspruch 18, wobei der Pumpen-AUS-Modus durchgeführt wird, wenn die Kühlwasserauslasstemperatur gleich oder kleiner als die voreingestellte erste Temperatur ist und eine Luftauslasstemperatur des Brennstoffzellenstapels kleiner als eine erste Luftauslasstemperatur ist, und der Pumpen-Normalmodus kann durchgeführt wird, wenn der Kühlwasserauslasstemperatur-Schätzwert die voreingestellte zweite Temperatur überschreitet oder die Luftauslasstemperatur des Brennstoffzellenstapels eine voreingestellte zweite Luftauslasstemperatur überschreitet.