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HINTERGRUND
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Technisches Gebiet
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Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung betreffen im Allgemeinen ein Leistungsnetzsystem für ein Brennstoffzellenfahrzeug und Verfahren zum Steuern desselben und genauer ein Leistungsnetzsystem für ein Brennstoffzellenfahrzeug, das zum Entfernen von Spannung an einem Brennstoffzellenstapel und Verbrauchen von Regenerationsbremsenergie fähig ist, und Verfahren zum Steuern desselben.
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Beschreibung der verwandten Technik
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Brennstoffzellensysteme können auf umweltfreundliche Fahrzeuge, wie beispielsweise Fahrzeug mit Wasserstoff-Brennstoffzelle, angewandt werden. Brennstoffzellensysteme enthalten üblicherweise beispielsweise einen Brennstoffzellenstapel zum Erzeugen von elektrischer Energie aus einer elektrochemischen Reaktion, eine Brennstoff-Versorgungsvorrichtung zum Versorgen des Brennstoffzellenstapels mit Brennstoff (z. B. Wasserstoff), ein Luft-Versorgungsvorrichtung (z. B. Oxidationsmittel) zum Zuführen von Luft (z. B. Sauerstoff) für die elektrochemische Reaktion und ein Wärme- und Wassermanagementsystem zum Steuern der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels durch externes Abführen eines Produktes der elektrochemischen Reaktion des Brennstoffzellenstapels (z. B. Wärme) und Durchführen eines Wassermanagements.
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Eine Brennstoffzellen-Lastvorrichtung zum Senken einer Spannung an dem Brennstoffzellenstapel ist üblicherweise mit dem Brennstoffzellenstapel verbunden, um Sauerstoff innerhalb des Brennstoffzellenstapels während oder nach einem Betrieb des Brennstoffzellenfahrzeugs zu entfernen. In den Brennstoffzellenstapel zugeführter Sauerstoff wird zusammen mit Wasserstoff, der in der Anode zurückbleibt, entfernt, während Strom durch die Brennstoffzellen-Lastvorrichtung verbraucht wird. Wenn in der Anode zurückbleibender Wasserstoff nicht ausreichend ist, ist der Verbrauch von Sauerstoff nicht möglich. Um dieses Problem zu verhindern, kann eine Aufwach- bzw. Wakeup-Technologie zum periodischen Zuführen von Wasserstoff zu der Anode verwendet werden.
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Anders als bei einem Verbrennungsfahrzeug erfordert ein Brennstoffzellensystem einen separaten Nachbearbeitungsprozess zum Senken einer Spannung an dem Brennstoffzellenstapel durch Entfernen von Luft, die in dem Brennstoffzellenstapel zurückbleibt, nachdem das Starten aus ist, um zu verhindern, dass sich der Brennstoffzellenstapel verschlechtert, und zu verhindern, dass der Brennstoffzellen einer hohen Spannung ausgesetzt wird. Wenn Spannung gebildet wird, während Sauerstoff in der Anode zurückbleibt, wird Kohlenstoff auf der Seite der Kathode korrodiert und verschlechtert bzw. herabgesetzt. Um dieses Problem zu lösen, besteht eine Notwendigkeit eines Prozesses zum Entfernen von Sauerstoff innerhalb des Brennstoffzellenstapels, Verhindern der Zuführung von zusätzlichem Sauerstoff und Entfernen von zugeführtem Sauerstoff, wenn der Sauerstoff zugeführt wird. Es ist auch notwendig, eine Spannung an dem Brennstoffzellenstapel unter Verwendung der Brennstoffzellenstapel-Lastvorrichtung zu senken, wenn das Brennstoffzellenfahrzeug mit einem anderen Objekt kollidiert oder wenn das Brennstoffzellensystem ausfällt bzw. versagt, um zu verhindern, dass der Brennstoffzellenstapel hoher Spannung ausgesetzt wird.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind auf ein Leistungsnetzsystem für ein Brennstoffzellenfahrzeug, das zum Entfernen von Spannung an einem Brennstoffzellenstapel und Verbrauchen von Regenerationsbremsenergie fähig ist, sowie Verfahren zum Steuern desselben gerichtet.
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Nach Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann ein Leistungsnetzsystem für ein Brennstoffzellenfahrzeug Folgendes enthalten: eine Diode mit einem ersten Ende, das mit einer End- bzw. Ausgangsstufe eines Brennstoffzellenstapels verbunden ist; eine Brennstoffzellen-Lastvorrichtung, die zwischen der Ausgangsstufe des Brennstoffzellenstapels und der Diode abgezweigt und verbunden ist; ein erstes Relais, das zwischen der Ausgangsstufe des Brennstoffzellenstapels und der Brennstoffzellen-Lastvorrichtung positioniert ist und zum Verbinden oder Trennen der Ausgangsstufe des Brennstoffzellenstapels und der Brennstoffzellen-Lastvorrichtung konfiguriert ist; und ein zweites Relais mit einem ersten Ende, das mit einem zweiten Ende der Diode verbunden ist, und einem zweiten Ende, das zwischen dem ersten Relais und der Brennstoffzellen-Lastvorrichtung verbunden ist.
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Das Leistungsnetzsystem kann ferner einen Wechselrichter enthalten, der mit einem Knoten verbunden ist, der zum Verbinden des anderen Endes der Diode und des ersten Endes des zweiten Relais konfiguriert ist.
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Das Leistungsnetzsystem kann ferner einen Wandler enthalten, der mit einer Hauptbusstufe zwischen dem Brennstoffzellenstapel und dem Wechselrichter verbunden ist und zum Steuern einer Spannung an der Hauptbusstufe konfiguriert ist.
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Eine Spannung an dem Brennstoffzellenstapel kann durch die Brennstoffzellen-Lastvorrichtung verringert werden, wenn das erste Relais eingeschaltet wird und die Ausgangsstufe des Brennstoffzellenstapels und die Brennstoffzellen-Lastvorrichtung verbunden werden.
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Energie, die durch das regenerative Bremsen eines mit dem Wechselrichter verbundenen Motors erzeugt wird, kann durch die Brennstoffzellen-Lastvorrichtung verbraucht werden, wenn das zweite Relais eingeschaltet wird und der Wechselrichter und die Brennstoffzellen-Lastvorrichtung verbunden werden.
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Das erste Relais und das zweite Relais werden nicht gleichzeitig eingeschaltet.
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Des Weiteren kann nach Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ein Betriebsverfahren des zuvor erwähnten Leistungsnetzsystems für ein Brennstoffzellenfahrzeug das Verbinden der Ausgangsstufe des Brennstoffzellenstapels und der Brennstoffzellen-Lastvorrichtung durch Einschalten des ersten Relais und gleichzeitiges Steuern einer Spannung an einer Ausgangsstufe eines Wandlers enthalten, der mit einer Hochspannungsbatterie verbunden ist, so dass die Spannung an der Ausgangsstufe des Wandlers geringer als eine Spannung an der Ausgangsstufe des Brennstoffzellenstapels ist, wenn eine das Brennstoffzellenfahrzeug involvierende Kollision auftritt.
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Das Betriebsverfahren kann das Sperren einer elektrischen Verbindung zwischen einer Hochspannungsbatterie und dem Brennstoffzellenstapel durch Ausschalten eines Hochspannungsbatterierelais, das die Hochspannungsbatterie und den Brennstoffzellenstapel verbindet, und Verbinden der Ausgangsstufe des Brennstoffzellenstapels und der Brennstoffzellen-Lastvorrichtung durch Einschalten des ersten Relais enthalten, wenn eine das Brennstoffzellenfahrzeug involvierende Kollision auftritt und sich die Hochspannungsbatterie nicht in einem ladbaren Zustand befindet.
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Das Betriebsverfahren kann das Sperren der elektrischen Verbindung zwischen der Hochspannungsbatterie und dem Brennstoffzellenstapel durch Ausschalten eines Hochspannungsbatterierelais, das die Hochspannungsbatterie und den Brennstoffzellenstapel verbindet, Ausschalten des ersten Relais und Einschalten des zweiten Relais enthalten, wenn die Spannung an dem Brennstoffzellenstapel geringer als eine vorbestimmte Spannung ist.
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Das Betriebsverfahren kann das Sperren der elektrischen Verbindung zwischen einer Hochspannungsbatterie und dem Brennstoffzellenstapel durch Ausschalten eines Hochspannungsbatterierelais, das die Hochspannungsbatterie und den Brennstoffzellenstapel verbindet, Ausschalten des ersten Relais und Einschalten des zweiten Relais enthalten, wenn eine das Brennstoffzellenfahrzeug involvierende Kollision auftritt und sich die Hochspannungsbatterie nicht in einem ladbaren Zustand befindet.
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Das Betriebsverfahren kann das Bestimmen, ob sich die Hochspannungsbatterie nicht in dem ladbaren Zustand befindet, durch Bestimmen von zumindest Folgendem enthalten: ob die Hochspannungsbatterie versagt, ob ein Wandler versagt, ob der SOC der Hochspannungsbatterie eine Sicherheitsgrenze überschritten hat und/oder ob eine Kollision durch einen Kollisionssensor neben der Hochspannungsbatterie erfasst wurde.
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Das Betriebsverfahren kann das Bestimmen, ob sich eine Hochspannungsbatterie in dem ladbaren Zustand befindet, wenn regeneratives Bremsen, das durch Bremsen unter Verwendung einer Motorbremse generiert wird, durchgeführt wird, und Ausschalten des ersten Relais und Einschalten des zweiten Relais enthalten, wenn bestimmt wird, dass sich die Hochspannungsbatterie nicht in dem ladbaren Zustand befindet.
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Ein Höchstwert der Regenerationsbremsenergie, die durch regeneratives Bremsen generiert wird, kann ein Ausgang sein, der durch die Brennstoffzellen-Lastvorrichtung verbraucht wird.
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Das Betriebsverfahren kann das Bestimmen, ob sich die Hochspannungsbatterie in dem ladbaren Zustand befindet, durch Bestimmen von zumindest Folgendem enthalten: ob die Hochspannungsbatterie versagt, ob ein Wandler versagt und/oder ob der SOC der Hochspannungsbatterie eine Sicherheitsgrenze überschritten hat.
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Das Betriebsverfahren kann das Steuern eines mit der Hochspannungsbatterie verbundenen Wandlers enthalten, so dass eine Spannung an einer Ausgangsstufe des Wandlers höher als eine Spannung an der Ausgangsstufe des Brennstoffzellenstapels ist und Hochspannungskomponenten, die mit einer Hochspannungsbatterie verbunden sind, nur durch die Hochspannungsbatterie angetrieben werden, wenn ein Brennstoffzellensystem versagt.
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Das Brennstoffzellensystem kann den Brennstoffzellenstapel, eine Wasserstoff-Versorgungsvorrichtung, die den Brennstoffzellenstapel mit Wasserstoff versorgt, eine Luft-Versorgungsvorrichtung, die den Brennstoffzellenstapel mit Luft versorgt, und ein Wärme- und Wassermanagementsystem enthalten, das eine Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels steuert und eine Wassermanagementfunktion durchführt.
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Das Betriebsverfahren kann das Bestimmen, ob ein Wasserstoffdruck auf einer Anodenseite des Brennstoffzellenstapels höher als ein vorbestimmter Bezugsdruck ist, wenn das Brennstoffzellensystem versagt, und Festlegen der Spannung an der Ausgangsstufe des Wandlers auf eine spezifische Spannung enthalten, wenn bestimmt wird, dass der Wasserstoffdruck auf der Anodenseite höher als der vorbestimmte Bezugsdruck ist. Die spezifische Spannung ist eine Mindestspannung, mit der Hochspannungskomponenten, die mit einer Hauptbusstufe verbunden sind, betriebsfähig sind, oder höher.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine beispielhafte Darstellung, die ein Leistungsnetzsystem für ein Brennstoffzellenfahrzeug nach Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
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Die 2 bis 5 sind beispielhafte Ablaufpläne, die Verfahren zum Steuern des Leistungsnetzsystems für ein Brennstoffzellenfahrzeug nach Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung veranschaulichen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Spezifische strukturelle und funktionale Beschreibungen der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, die hierin offenbart sind, werden veranschaulicht, um die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung lediglich zu beschreiben. Die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können in verschiedenen Formen implementiert werden und sollten nicht ausgelegt werden, auf die hierin beschriebenen Ausführungsformen beschränkt zu sein.
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Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können auf verschiedene Weisen modifiziert werden und können mehrere Formen aufweisen. Es sollte jedoch klar sein, dass Ausführungsformen nach dem Konzept der vorliegenden Offenbarung nicht auf eine spezifische Offenbarung beschränkt sein sollen, sondern alle Änderungen, Äquivalente und Ersetzungen enthalten, die in dem Wesen und technischen Bereich der vorliegenden Offenbarung enthalten sind.
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Die hierin verwendete Terminologie dient nur zum Zweck des Beschreibens bestimmter Ausführungsformen und soll die Offenbarung nicht beschränken. Wie hierin verwendet, sollen die Singularformen „ein/eine” und „der/die/das” auch die Pluralformen enthalten, sofern der Kontext dies nicht anderweitig klar erkennen lässt. Es wird zudem klar sein, dass die Ausdrücke „weist auf” und/oder „aufweisend”, wenn in dieser Beschreibung verwendet, das Vorhandensein der genannten Merkmale, ganzen Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Bauteile spezifizieren, aber nicht das Vorhandensein oder den Zusatz von einem/einer oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Bauteilen und/oder Gruppen derselben ausschließen. Wie hierin verwendet, enthält der Ausdruck „und/oder” jedes beliebige und alle Kombinationen von einem oder mehreren der assoziierten, aufgelisteten Elemente.
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Ausdrücke, wie beispielsweise der/die/das erste und der/die/das zweite, können verwendet werden, um eine Vielfalt von Elementen zu beschreiben, aber die Elemente sollten nicht durch die Ausdrücke beschränkt sein. Die Ausdrücke werden nur zum Unterscheiden eines Elements von dem anderen Element verwendet. Beispielsweise kann ein erstes Element als zweites Element bezeichnet werden und gleichermaßen ein zweites Element als erstes Element bezeichnet werden, ohne von dem Bereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Wenn geäußert wird, dass ein Element beschrieben ist, mit dem anderen Element „verbunden” oder „gekoppelt” zu sein, kann das eine Element mit dem anderen Element direkt verbunden oder gekoppelt sein, aber es sollte klar sein, dass ein drittes Element zwischen den zwei Elementen angeordnet sein kann. Im Gegensatz dazu sollte klar sein, dass, wenn geäußert wird, dass ein Element beschrieben ist, mit dem anderen Element „direkt verbunden” oder „direkt gekoppelt” zu sein, kein drittes Element zwischen den zwei Elementen vorhanden ist. Indessen gilt das gleiche Prinzip für andere Ausdrücke, wie beispielsweise „zwischen~” und „genau zwischen~” oder „neben~” und „mit benachbart”, die ein Verhältnis zwischen Elementen beschreiben.
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In dieser Beschreibung verwendete Begriffe werden nur zum Beschreiben spezifischer Ausführungsformen verwendet und sollen die vorliegende Erfindung nicht beschränken. Ein Ausdruck der Einzahl sollte verstanden werden, Pluralausdrücke zu enthalten, sofern nicht anderweitig in dem Kontext klar ausgedrückt. Es sollte klar sein, dass bei dieser Anmeldung Ausdrücke, wie beispielsweise „enthalten” oder „aufweisen”, das Bestehen von beschriebenen Charakteristiken, Anzahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Teilen oder einer Kombination derselben bezeichnen sollen, aber nicht das Bestehen von einer/einem oder mehreren anderen Charakteristiken, Anzahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Teilen oder einer Kombination derselben oder der Möglichkeit des Zusatzes derselben ausschließen sollen.
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Es ist klar, dass der Ausdruck „Fahrzeug” oder „Fahrzeug-” oder ein anderer ähnlicher Ausdruck, der hierin verwendet wird, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen enthält, wie beispielsweise Personenkraftwagen, die Geländefahrzeuge (SUV), Busse, Lastwagen, verschiedene Geschäftswagen enthalten, Wasserfahrzeuge, die eine Vielzahl von Booten und Schiffen enthalten, Luftfahrzeuge und Ähnliches, und Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-In-Hybridelektrofahrzeuge, Fahrzeuge mit Wasserstoffantrieb und andere Fahrzeuge mit alternativen Brennstoffen enthält (z. B. Brennstoffe, die aus anderen Rohstoffen als Erdöl gewonnen werden). Wie hierin bezeichnet, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, das zwei oder mehr Leistungsquellen aufweist, wie beispielsweise sowohl benzinbetriebene als auch elektrisch betriebene Fahrzeuge.
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Zudem ist klar, dass ein oder mehrere der nachstehenden Verfahren oder Aspekte derselben durch zumindest eine Steuerung ausgeführt werden können. Der Ausdruck „Steuerung” kann sich auf eine Hardwarevorrichtung beziehen, die einen Speicher und einen Prozessor enthält. Der Speicher ist zum Speichern von Programmbefehlen konfiguriert und der Prozessor ist speziell zum Ausführen der Programmbefehle programmiert, um einen oder mehrere Prozesse durchzuführen, die weiter unten beschrieben werden. Zudem ist klar, dass die nachstehenden Verfahren durch ein Gerät ausgeführt werden können, das die Steuerung in Verbindung mit einer oder mehreren anderen Komponenten aufweist, wie wohl von jemandem mit gewöhnlichen Fähigkeiten in der Technik verstanden wird.
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Alle hierin verwendeten Ausdrücke einschließlich technischer oder wissenschaftlicher Termini haben die gleichen Bedeutungen wie jene, die üblicherweise durch jemanden mit technischen Fähigkeiten verstanden werden, sofern nicht anderweitig definiert. Ausdrücke, wie beispielsweise diejenigen, die in allgemeinen Wörterbüchern definiert sind, sollten ausgelegt werden, die gleichen Bedeutungen wie jene in dem Kontext der verwandten Technologie zu haben, und sollten nicht ausgelegt werden, ideale oder übermäßig formale Bedeutungen zu haben, sofern nicht in dieser Beschreibung eindeutig definiert.
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Nachstehend werden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung in Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen detaillierter beschrieben. Überall in den Zeichnungen werden die gleichen Bezugsnummern verwendet, um die gleichen Elemente anzugeben. Der Gegenstand der Ausführung von Schritten, die in den Ablaufplänen veranschaulicht sind, der Gegenstand der Betätigungen eines ersten Relais und eines zweiten Relais und der Gegenstand der Steuerung der Ausgangsspannung an einem Wandler kann eine Brennstoffzellensteuerung (FCU; engl. fuel cell controller) oder eine Vielzahl von Steuerungen zum Steuern der Komponenten eines Brennstoffzellensystems sein, das mit der FCU kommuniziert.
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1 ist eine beispielhafte Darstellung, die ein Leistungsnetzsystem für ein Brennstoffzellenfahrzeug nach Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht. Wie in 1 veranschaulicht, kann das Leistungsnetzsystem 100 für ein Brennstoffzellenfahrzeug die folgenden Komponenten enthalten: einen Brennstoffzellenstapel 10 (d. h. eine Hauptleistungsquelle) und eine Hochspannungsbatterie (z. B. Hauptbatterie) 85, das heißt eine Hilfsleistungsquelle, die durch eine Hauptbusstufe 5 parallel geschaltet sind, eine Diode 20, die auf der Hauptbusstufe 5 vorgesehen ist und konfiguriert ist, um ein Ende aufzuweisen, das mit der Ausgangsstufe des Brennstoffzellenstapels 10 verbunden ist, einen bidirektionalen Hochspannungs-DC/DC-Wandler (BHDC) (nachstehend „Wandler” genannt) 80, der mit der Hochspannungsbatterie 85 verbunden ist, so dass der Ausgang der Hochspannungsbatterie 85 gesteuert werden kann, einen Wechselrichter 30, der mit der Hauptbusstufe 5 auf der Ausgangsseite des Brennstoffzellenstapels 10 und der Hochspannungsbatterie 85 verbunden ist, einen Antriebsmotor 40, der mit dem Wechselrichter 30 verbunden ist, Hochspannungszubehörteile 90 innerhalb eines Fahrzeugs mit Ausnahme des Wechselrichters 30 und des Antriebsmotors 40, eine Brennstoffzellen-Lastvorrichtung 60, die zwischen der Ausgangsstufe des Brennstoffzellenstapels 10 und der Diode 20 abgezweigt und verbunden ist, ein erstes Relais 50, das zwischen der Ausgangsstufe des Brennstoffzellenstapels 10 und der Brennstoffzellen-Lastvorrichtung 60 vorgesehen ist und zum Verbinden oder Trennen der Ausgangsstufe des Brennstoffzellenstapels 10 und der Brennstoffzellen-Lastvorrichtung 60 konfiguriert ist, und ein zweites Relais 70, das konfiguriert ist, um ein Ende, das mit dem anderen Ende der Diode 20 verbunden ist, und das andere Ende aufzuweisen, das zwischen dem ersten Relais 50 und der Brennstoffzellen-Lastvorrichtung 60 verbunden ist.
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Der Brennstoffzellenstapel 10, der die Hauptleistungsquelle eines Fahrzeugs ist, und die Hochspannungsbatterie 85, die als eine Hilfsleistungsquelle verwendet wird, sind mit Lasten innerhalb des Leistungsnetzsystems, wie beispielsweise der Wechselrichter 30 und der Antriebsmotor 40, durch die Hauptbusstufe 5 parallel geschaltet. Der Wandler 80, der mit der Hochspannungsbatterie 85 verbunden ist, ist mit der Hauptbusstufe 5 auf der Ausgangsseite des Brennstoffzellenstapels 10 verbunden, so dass der Ausgang des Brennstoffzellenstapels 10 und der Ausgang der Hochspannungsbatterie 85 durch Steuern einer Spannung an dem Wandler 80 (d. h. Ausgangsspannung zu der Hauptbusstufe 5) gesteuert werden können.
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Die Diode 20, durch die kein Rückwärtsstrom fließt, ist in der Ausgangsstufe des Brennstoffzellenstapels 10 angeordnet. Ein Ende der Diode 20 ist mit der Ausgangsstufe des Brennstoffzellenstapels 10 verbunden und das andere Ende derselben ist mit einem Ende des zweiten Relais 70, dem Wechselrichter 30, den Hochspannungszubehörteilen 90 und dem Wandler 80 durch einen Knoten 2 verbunden. Der Brennstoffzellenstapel 10 und die Brennstoffzellen-Lastvorrichtung 60 können durch das erste Relais 50 gekoppelt sein und mit dem mit dem Antriebsmotor 40 verbundenen Wechselrichter 30 durch das zweite Relais 70 verbunden sein.
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Der Wandler 80 ist mit der Hauptbusstufe 5 verbunden. Eine Spannung der Ausgangsstufe des mit der Hauptbusstufe 5 verbundenen Wandlers 80 kann durch Umwandeln einer Ausgangsspannung an der Hochspannungsbatterie 85 gesteuert werden.
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Wenn das erste Relais 50 eingeschaltet wird und folglich die Ausgangsstufe des Brennstoffzellenstapels 10 und die Brennstoffzellen-Lastvorrichtung 60 verbunden werden, kann eine Spannung an dem Brennstoffzellenstapel 10 durch die Brennstoffzellen-Lastvorrichtung 60 verringert oder entfernt werden. Wenn das zweite Relais 70 eingeschaltet wird und folglich der Wechselrichter 30 und die Lastvorrichtung 60 verbunden werden, kann des Weiteren Energie, die dem regenerativen Bremsen des mit dem Wechselrichter 30 verbundenen Antriebsmotors 40 zuzuschreiben ist, durch die Brennstoffzellen-Lastvorrichtung 60 verbraucht werden. In diesem Fall werden das erste Relais 50 und das zweite Relais 70 nicht gleichzeitig eingeschaltet. Ein Hochspannungsteil bezieht sich auf ein Teil, das durch eine hohe Spannung angetrieben wird, wie beispielsweise die Hochspannungszubehörteile 90 oder der Antriebsmotor 40.
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Die 2 bis 5 sind beispielhafte Ablaufpläne, die Verfahren zum Steuern des Leistungsnetzsystems für ein Brennstoffzellenfahrzeug nach Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. Insbesondere veranschaulichen die 2 bis 5 die Verfahren zum Steuern des Leistungsnetzsystems für ein Brennstoffzellenfahrzeug, das in 1 veranschaulicht ist. Wie in 2 gezeigt, bestimmt das Brennstoffzellenfahrzeug während eines normalen Betriebs im Schritt S201, ob eine Störung in dem Brennstoffzellensystem im Schritt S203 aufgetreten ist. Wenn bestimmt wird, dass eine Störung in dem Brennstoffzellensystem aufgetreten ist, wird im Schritt S205 bestimmt, ob ein Wasserstoffdruck innerhalb der Anode des Brennstoffzellenstapels 10 geringer als ein vorbestimmter Bezugsdruck ist. In diesem Fall bezieht sich das Auftreten einer Störung in dem Brennstoffzellensystem auf den Zustand, in dem zumindest einige Komponenten des Brennstoffzellensystems, die den Brennstoffzellenstapel, die Wasserstoff-Versorgungseinrichtung zum Versorgen des Brennstoffzellenstapels mit Wasserstoff, das heißt Brennstoff, die Luft-Versorgungsvorrichtung zum Versorgen des Brennstoffzellenstapels mit sauerstoffhaltiger Luft, das heißt einem Oxidationsmittel für die elektrochemische Reaktion, und das Wärme- und Wassermanagementsystem zum optimalen Steuern der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels durch externes Abführen von Wärme, das heißt eines Produktes der elektrochemischen Reaktion des Brennstoffzellenstapels, und Durchführen einer Wassermanagementfunktion enthalten, nicht normal wirken bzw. arbeiten.
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Ein Prozess zum Beenden der Leistungserzeugung, der durch den Brennstoffzellenstapel 10 durchgeführt wird, kann erst das Beenden der Zufuhr von Sauerstoff zu dem Brennstoffzellenstapel 10, Entfernen von Spannung an dem Brennstoffzellenstapel 10 und Beenden der Zufuhr von Wasserstoff zu dem Brennstoffzellenstapel 10 enthalten. In diesem Fall kann die Entfernung der Spannung an dem Brennstoffzellenstapel 10 unter Verwendung der Brennstoffzellen-Lastvorrichtung 60 durchgeführt werden. Wenn Wasserstoff innerhalb des Brennstoffzellenstapels 10 unzureichend ist, kann die Spannung an dem Brennstoffzellenstapel 10 durch den Nulldurchgang (crossover) gesenkt werden. Wenn der Ausgang des Brennstoffzellenstapels 10 in dem Zustand erzeugt wird, in dem Wasserstoff unzureichend ist, kann der Brennstoffzellenstapel 10 herabgesetzt werden. Um zu verhindern, dass ein elektrischer Strom durch die Ausgangsstufe des Brennstoffzellenstapels 10 ausgegeben wird, wird eine Spannung an der Hauptbusstufe 5 durch den Wandler 80 im Schritt S207 erhöht. Das heißt, wenn bestimmt wird, dass der Wasserstoffdruck auf der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 10 geringer als der vorbestimmte Bezugsdruck ist, wird eine Spannung derart gesteuert, dass eine Spannung an der Ausgangsstufe des Wandlers 80 höher als eine Spannung an der Ausgangsstufe des Brennstoffzellenstapels 10 ist, um zu verhindern, dass ein elektrischer Strom durch den Brennstoffzellenstapel 10 ausgegeben wird. Der vorbestimmte Bezugsdruck kann ein minimaler Wasserstoff-Versorgungsdruck zum Verhindern eines Wasserstoffmangels auf der Anodenseite sein.
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Wenn der Wasserstoffdruck auf der Anodenseite gleich dem vorbestimmten Bezugsdruck oder höher als derselbe ist, wird die Hochspannungsbatterie 85 mit einem Ausgang geladen, der durch eine Reaktion von Sauerstoff und Wasserstoff innerhalb des Brennstoffzellenstapels 10 erzeugt wird. Das heißt, wenn der Wasserstoffdruck auf der Anodenseite gleich dem vorbestimmten Bezugsdruck oder höher als derselbe ist, kann eine Spannung an der Ausgangsstufe des Wandlers 80 auf eine spezifische Spannung V1 festgelegt werden. Wenn die Spannung an der Ausgangsstufe des Wandlers 80 auf die spezifische Spannung V1 festgelegt wird, kann die Hochspannungsbatterie 85 mit dem Ausgang des Brennstoffzellenstapels 10 geladen werden, bis eine Spannung an der Ausgangsstufe des Brennstoffzellenstapels 10 bis zu der spezifischen Spannung V1 abnimmt. Die spezifische Spannung V1 kann basierend auf Faktoren, wie beispielsweise Antriebseffizienz des Wandlers 80 und Antriebseffizienz der Hochspannungszubehörteile 90 im Voraus eingestellt werden.
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Wie in 3 gezeigt, wird, wenn eine Kollision in dem Brennstoffzellenfahrzeug im Schritt S303 erzeugt wird, während das Brennstoffzellenfahrzeug im Schritt S301 normal arbeitet, erst der Ausgang des Antriebsmotors 40 derart gesteuert, dass derselbe 0 wird, und die Zufuhr von Wasserstoff und Sauerstoff zu dem Brennstoffzellenstapel 10 kann im Schritt S305 gesperrt werden. Danach wird im Schritt S307 bestimmt, ob sich die Hochspannungsbatterie 85 in einem ladbaren Zustand befindet. Ob sich die Hochspannungsbatterie 85 in dem ladbaren Zustand befindet, kann basierend auf von zumindest Folgendem bestimmt werden: ob die Hochspannungsbatterie 85 versagt, ob der Wandler 80 versagt, ob der Ladezustand (SOC) der Hochspannungsbatterie 85 eine Sicherheitsgrenze überschritten hat (d. h., ob der SOC der Hochspannungsbatterie 85 überhöht ist) und/oder ob eine Kollision durch einen Kollisionssensor neben der Hochspannungsbatterie 85 erfasst wurde.
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Wenn bestimmt wird, dass sich die Hochspannungsbatterie 85 in dem ladbaren Zustand befindet, wird die Hochspannungsbatterie 85 geladen und zugleich das erste Relais 50 eingeschaltet, damit die Spannung an dem Brennstoffzellenstapel 10 durch die Brennstoffzellen-Lastvorrichtung 60 entfernt wird, um die Spannung an dem Brennstoffzellenstapel 10 im Schritt S309 zu senken. Das heißt, wenn sich die Hochspannungsbatterie 85 in dem ladbaren Zustand befindet, kann der mit der Hochspannungsbatterie 85 verbundene Wandler 80 derart gesteuert werden, dass eine Spannung an der Ausgangsstufe des Wandlers 80 geringer als die an der Ausgangsstufe des Brennstoffzellenstapels 10 ist. Das heißt, wenn eine Kollision in dem Brennstoffzellenfahrzeug erzeugt wird, kann das erste Relais 50 eingeschaltet werden und zugleich eine Spannung an der Ausgangsstufe des mit der Hochspannungsbatterie 85 verbundenen Wandlers 80 derart gesteuert werden, dass die Spannung an der Ausgangsstufe des Wandlers 80 geringer als die an der Ausgangsstufe des Brennstoffzellenstapels 10 ist. Folglich besteht darin ein Vorteil, dass eine Geschwindigkeit, mit der Spannung an dem Brennstoffzellenstapel 10 entfernt wird, verbessert werden kann.
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Wenn sich die Hochspannungsbatterie 85 nicht in dem ladbaren Zustand befindet, wird eine Spannung an der Hauptbusstufe 5 gesteuert und das erste Relais 50 eingeschaltet, so dass die Spannung an dem Brennstoffzellenstapel 10 durch nur die Brennstoffzellen-Lastvorrichtung 60 im Schritt S311 entfernt wird. Das heißt, wenn sich die Hochspannungsbatterie 85 nicht in dem ladbaren Zustand befindet, kann der Wandler 80 derart gesteuert werden, dass eine Spannung an der Ausgangsstufe des mit der Hochspannungsbatterie 85 verbundenen Wandlers 80 höher als die an der Ausgangsstufe des Brennstoffzellenstapels 10 ist. Ein Hochspannungsbatterierelais (nicht gezeigt) zum Verbinden der Hochspannungsbatterie 85 und des Brennstoffzellenstapels 10 kann ausgeschaltet werden, um eine elektrische Verbindung zwischen der Hochspannungsbatterie 85 und dem Brennstoffzellenstapel 10 zu sperren, und das erste Relais 50 kann eingeschaltet werden, um die Ausgangsstufe des Brennstoffzellenstapels 10 und die Brennstoffzellen-Lastvorrichtung 60 zu verbinden. Alternativ kann das Hochspannungsbatterierelais zum Verbinden der Hochspannungsbatterie 85 und des Brennstoffzellenstapels 10 ausgeschaltet werden, um eine elektrische Verbindung zwischen der Hochspannungsbatterie 85 und dem Brennstoffzellenstapel 10 zu sperren, und das erste Relais 50 ausgeschaltet werden, um das zweite Relais 70 einzuschalten.
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Ob die Spannung an dem Brennstoffzellenstapel 10 geringer als eine spezifische Spannung V2 während des Entfernens der Spannung an dem Brennstoffzellenstapel 10 ist, wird im Schritt S313 bestimmt. Wenn die Spannung an dem Brennstoffzellenstapel 10 geringer als die spezifische Spannung V2 ist, wird eine Verbindung zwischen der Hochspannungsbatterie 85 und der Hauptbusstufe 5 unter Verwendung des Hochspannungsbatterierelais (nicht gezeigt) gesperrt. Das heißt, ein Eingang zu und Ausgang aus der Hochspannungsbatterie 85 werden durch Ausschalten des Hochspannungsbatterierelais gesperrt, so dass Spannung nicht länger durch die Hochspannungsbatterie 85 im Schritt S315 angelegt wird. Das erste Relais 50 kann ausgeschaltet werden und das zweite Relais 70 kann dann eingeschaltet werden, so dass in der Hauptbusstufe 5 zurückbleibende Spannung durch die Brennstoffzellen-Lastvorrichtung 60 im Schritt S317 entfernt wird.
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Nachdem das zweite Relais 70 eingeschaltet wird, wird bestimmt, ob Spannung an der Hauptbusstufe 5 geringer als eine spezifische Spannung V3 ist. Wenn bestimmt wird, dass die in der Hauptbusstufe 5 zurückbleibende Spannung geringer als die spezifische Spannung V3 ist, können sowohl das erste Relais 50 als auch das zweite Relais 70 ausgeschaltet werden.
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In diesem Fall weisen V2 und V3 den gleichen Wert auf und können den höchsten Wert aufweisen, bei dem Sicherheit sichergestellt wird. Das heißt, wenn eine Spannung an dem Brennstoffzellenstapel 10 geringer als V2 ist und eine Spannung an der Hauptbusstufe 5 geringer als V3 ist, kann bestimmt werden, dass Sicherheit sichergestellt wird, da die Menge an Spannung an dem Brennstoffzellenstapel 10 und der Hauptbusstufe 5 sehr gering ist. Idealerweise können V2 und V3 0 betragen.
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Wie in 4 gezeigt, gleichen die Schritte S401 bis S407 den Schritten S301 bis S307. Wenn im Schritt S407 bestimmt wird, dass sich die Hochspannungsbatterie 85 in dem ladbaren Zustand befindet, wird der Ausgang des Brennstoffzellenstapels 10 zum Laden der Hochspannungsbatterie 85 verwendet und zugleich das erste Relais 50 eingeschaltet, so dass Spannung an dem Brennstoffzellenstapel 10 durch die Brennstoffzellen-Lastvorrichtung 60 entfernt wird, um die Spannung an dem Brennstoffzellenstapel 10 im Schritt S409 zu senken. Das heißt, wenn sich die Hochspannungsbatterie 85 in dem ladbaren Zustand befindet, kann der Wandler 80 derart gesteuert werden, dass eine Spannung an der Ausgangsstufe des mit der Hochspannungsbatterie 85 verbundenen Wandlers 80 geringer als eine Spannung an der Ausgangsstufe des Brennstoffzellenstapels 10 ist, und zugleich das erste Relais 50 eingeschaltet werden, so dass die Ausgangsstufe des Brennstoffzellenstapels 10 und die Brennstoffzellen-Lastvorrichtung 60 verbunden werden. Ob die Spannung an dem Brennstoffzellenstapel 10 geringer als eine spezifische Spannung V2 durch Steuerung des Spannungsabfalls des Brennstoffzellenstapels 10 ist, wird im Schritt S411 bestimmt. Wenn bestimmt wird, dass die Spannung an dem Brennstoffzellenstapel 10 geringer als die spezifische Spannung V2 ist, wird eine Verbindung zwischen der Hochspannungsbatterie 85 und der Hauptbusstufe 5 gesperrt. Das heißt, ein Eingang zu und Ausgang aus der Hochspannungsbatterie 85 werden gesperrt, so dass Spannung nicht länger durch die Hochspannungsbatterie 85 im Schritt S413 angelegt wird. Anschließende Schritte gleichen denen der 3 und eine Beschreibung derselben ist ausgelassen.
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5 veranschaulicht ein Verfahren zum Steuern des Leistungsnetzsystems 100, wenn eine Bremskraft durch das regenerative Bremsen des Antriebsmotors 40 erzeugt wird, während das Brennstoffzellenfahrzeug im Schritt S501 normal arbeitet. Im Falle einer L-Stufe (d. h. Motorbremsfunktion; In diesem Fall wird eine Bremskraft durch das regenerative Bremsen des Antriebsmotors 40 des Brennstoffzellenfahrzeug erzeugt) im Schritt S503 wird eine Regenerationsbremsenergie von dem Antriebsmotor 40 im Schritt S505 erhöht und gehalten. Danach wird im Schritt S507 bestimmt, ob sich die Hochspannungsbatterie 85 in dem ladbaren Zustand befindet. Das heißt, die L-Stufe bezieht sich auf einen Betriebsmodus, in dem der Ausgang des regenerativen Bremsens des Antriebsmotors erhöht wird, anstelle einer Hydraulikbremse, um ein Bremsgefühl aufrechtzuerhalten, selbst ohne Betätigung eines Bremspedals durch einen Fahrer. Wenn bestimmt wird, dass sich die Hochspannungsbatterie 85 nicht in dem ladbaren Zustand befindet, wird das erste Relais 50 ausgeschaltet und das zweite Relais 70 eingeschaltet, so dass der Wechselrichter 30 mit der Brennstoffzellen-Lastvorrichtung 60 verbunden wird. Folglich wird eine Regenerationsbremsenergie durch die Brennstoffzellen-Lastvorrichtung 60 verbraucht. Ein Höchstwert der Regenerationsbremsenergie, die zu der Lastvorrichtung 60 zugeführt wird, hängt von dem Ausgang der Lastvorrichtung 60 ab.
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Folglich wird, obwohl die Hochspannungsbatterie 85 nicht geladen werden kann, eine Regenerationsbremsenergie von dem Antriebsmotor 40 durch die Brennstoffzellen-Lastvorrichtung 60 verbraucht. Folglich besteht darin ein Vorteil, dass ein Bremsgefühl aufrechterhalten werden kann, da die Menge des regenerativen Bremsens sichergestellt werden kann.
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Wenn die Hochspannungsbatterie 85 geladen werden kann, werden sowohl das erste Relais 50 als auch das zweite Relais 70 ausgeschaltet, so dass eine Regenerationsbremsenergie von dem Antriebsmotor 40 verwendet wird, um die Hochspannungsbatterie 85 zu laden. Ein Höchstwert der Regenerationsbremsenergie kann durch eine Grenzkapazität der Hochspannungsbatterie 85 bestimmt werden.
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Nach dem Leistungsnetzsystem für ein Brennstoffzellenfahrzeug und den Verfahren zum Steuern desselben nach Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung besteht darin ein Vorteil, dass der Ausgang des Brennstoffzellenstapels durch Steuern einer Spannung an der Hauptbusstufe gesperrt werden kann, wenn eine Störung in dem Brennstoffzellensystem erzeugt wird. Wenn eine Störung in dem Brennstoffzellensystem erzeugt wird, bleibt ferner ein Ausgang, der durch Wasserstoff erzeugt wird, der auf der Anodenseite abhängig von einem Wasserstoffdruck auf der Anodenseite zurückbleibt, in die Hochspannungsbatterie geladen. Ferner noch besteht ein Vorteil darin, dass verhindert werden kann, dass der Brennstoffzellenstapel einer Gefahr einer hohen Spannung ausgesetzt wird, indem eine Spannung an dem Brennstoffzellenstapel und eine Spannung, die in der Hauptbusstufe zurückbleibt, gesenkt werden, wenn eine Kollision in dem Brennstoffzellenfahrzeug erzeugt wird. Darüber hinaus noch bestehen darin Vorteile, dass die Hochspannungsbatterie mit Regenerationsbremsenergie geladen werden kann, wenn regeneratives Bremsen erzeugt wird, und ein Bremsgefühl sichergestellt werden kann, da die Regenerationsbremsenergie durch die Brennstoffzellen-Lastvorrichtung verbraucht wird.
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Zwar wurden die offenbarten Ausführungsformen in Bezug auf die spezifischen Ausführungsformen beschrieben, aber für jemanden mit technischen Fähigkeiten wird offensichtlich sein, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne von dem Wesen und Bereich der vorliegenden Offenbarung abzuweichen, die in den folgenden Ansprüchen definiert sind.
