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HINTERGRUND
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen ein Steuerverfahren und -System eines Brennstoffzellensystems und insbesondere ein Steuerverfahren und -System eines Brennstoffzellensystems, die einen Wasserstoffversorgungsdruck variieren/ändern, wenn eine Energieerzeugung einer Brennstoffzelle gestoppt wird.
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2. Beschreibung des Standes der Technik
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Ein Brennstoffzellensystem, das bei einem Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeug, das eine Art eines umweltfreundlichen Fahrzeugs darstellt, anwendbar ist, besteht aus einem Brennstoffzellenstapel, der elektrische Energie aus einer elektrochemischen Reaktion von Reaktionsgasen erzeugt; einem Wasserstoffversorgungssystem, das eingerichtet ist, um Wasserstoff als Brennstoff an einen Brennstoffzellenstapel zuzuführen; einem Luftversorgungssystem, das eingerichtet ist, um Gas einschließlich Sauerstoff als ein Oxidationsmittel in elektrochemischen Reaktionen zuzuführen; und ein Wärme- und Wasser-Management-System, das eingerichtet ist, um das Wasser zu leiten und um eine optimale Temperatur des Brennstoffzellenstapels zum Fahren/Antreiben durch Abgeben von Wärme, die ein Nebenprodukt der elektrochemischen Reaktionen darin ist, beizubehalten.
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1 zeigt eine beispielhafte Ansicht, die ein gesamtes Brennstoffzellensystem darstellt. Wie in 1 gezeigt, umfasst das Brennstoffzellensystem 100 einen Brennstoffzellenstapel 10, eine Brennstoffzellen-Lastvorrichtung 20, ein Luftgebläse 30, eine Befeuchtungsvorrichtung (Befeuchter) 40, Luftabsperrventile 35 und 45 in einem Einlass und Auslass, ein Ablassventil 42, ein Spülventil 44, einen Wasserabscheider 50, eine Wasserstoffrückführungsvorrichtung 55, ein Wasserstoffzufuhrventil 57, einen Kühler 60 und ein Thermostat 65. Die Luftabsperrventile 35 und 45 in dem Einlass und Auslass können ein Einströmen von Luft zu dem Brennstoffzellenstapel verhindern, nachdem ein Brennstoffzellenfahrzeug den Betrieb einstellt. Das Ablassventil 42 ist innerhalb einer Wasserstoffauslassleitung angeordnet, um an einer Anode erzeugtes Wasser zu entfernen, und das Spülventil 44 stellt Wasserstoffkonzentrationen an der Anode ein und strömt Wasserstoff zu einem Luftauslass aus, um die Luft zu verdünnen.
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Ferner ist die Brennstoffzellen-Lastvorrichtung 20, die die Spannung des Brennstoffzellenstapels 10 verringert, um die Spannung abzuleiten, mit dem Brennstoffzellenstapel 10 verbunden, um Sauerstoff innerhalb des Brennstoffzellenstapels 10 entfernen, während das Brennstoffzellenfahrzeug außer Betrieb genommen wird und nachdem das Brennstoffzellenfahrzeug den Betrieb eingestellt hat. Der in den Brennstoffzellenstapel 10 strömende Sauerstoff wird entfernt mit restlichem Wasserstoff, der sich an der Anode sammelt, während die Brennstoffzellen-Lastvorrichtung 20 Strom verbraucht. Jedoch kann unzureichender Wasserstoff einen vollständigen Verbrauch des Sauerstoffs ausschließen und somit wird ein Weck-Verfahren verwendet, um periodisch Wasserstoff an die Anode zuzuführen. Beim Stoppen der Energieerzeugung einer Brennstoffzelle (FC STOP) sollte die Menge einer Wasserstoffüberführung von der Anode zu einer Kathode durch eine Anodendrucksteuerung verringert werden, um den Abgasbestimmungen zu entsprechen. Demzufolge wird ein Verfahren zum Verringern der Menge einer Wasserstoffüberführung erforderlich.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Demzufolge ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Steuerverfahren und -System eines Brennstoffzellensystems bereitzustellen, die eine Wasserstoffüberführung durch Ändern eines Wasserstoffversorgungsdrucks beim Stoppen einer Energieerzeugung einer Brennstoffzelle minimieren. Insbesondere kann ein Steuerverfahren eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfassen: Erfassen einer Spannung eines Brennstoffzellenstapels beim Stoppen einer Energieerzeugung einer Brennstoffzelle beim Fahren eines Brennstoffzellenfahrzeugs; und Einstellen eines Wasserstoffversorgungsdrucks an einer Anodenseite auf der Grundlage einer Änderung der erfassten Spannung.
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Die Einstellung des Wasserstoffversorgungsdrucks kann durchgeführt werden, wenn die Spannung des Brennstoffzellenstapels kleiner als eine vorgegebene Referenzspannung nach Stoppen der Energieerzeugung der Brennstoffzelle ist. Die vorgegebene Referenzspannung kann eine Spannung sein, wann die Spannung des Brennstoffzellenstapels durch eine Last nach Stoppen der Energieerzeugung der Brennstoffzelle zwangsweise verringert worden ist. Darüber hinaus kann die Einstellung des Wasserstoffversorgungsdrucks ferner ein Einstellen einer Spannung eines Hauptbusanschlusses umfassen, der mit einer Ausgangsseite des Brennstoffzellenstapels verbunden ist, um größer als die Spannung des Brennstoffzellenstapels zu sein.
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Das Absperren der Zufuhr von Luft an den Brennstoffzellenstapel kann ferner vor einem Einstellen des Wasserstoffversorgungsdrucks umfasst werden. Zusätzlich kann die Einstellung des Wasserstoffversorgungsdrucks an der Anodenseite ein Erhöhen des Wasserstoffversorgungsdrucks umfassen, wenn die Spannung des Brennstoffzellenstapels aufgrund eines Einströmens von Luft in den Brennstoffzellenstapel erhöht wird. Die Einstellung des Wasserstoffversorgungsdrucks an der Anodenseite kann ferner ein Verringern des Wasserstoffversorgungsdrucks umfassen, wenn die Spannung des Brennstoffzellenstapels verringert wird. Ein Einstellen des Wasserstoffversorgungsdrucks an der Anodenseite stellt den Wasserstoffversorgungsdruck mit einem Hysterese-Bereich auf der Grundlage der Änderung der Spannung des Brennstoffzellenstapels ein.
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Das Steuerverfahren des Brennstoffzellensystems kann ferner umfassen: Vergleichen einer voreingestellten Referenzzeitdauer mit einer Verarbeitungszeit zum Einstellen des Wasserstoffversorgungsdrucks an der Anodenseite; und weiteres Spülen der Anode mit Wasserstoff beim Neustarten einer Energieerzeugung der Brennstoffzelle, wenn die Verarbeitungszeit größer als die voreingestellte Referenzzeitdauer ist, auf der Grundlage des abgesenkten Wasserstoffversorgungsdrucks. Die Anzahl der Durchführungen der weiteren Spülungen kann proportional zu der die voreingestellte Referenzzeitdauer überschreitenden Verarbeitungszeit sein. Ferner kann das Steuerverfahren des Brennstoffzellensystems umfassen: Vergleichen eines voreingestellten Referenzdrucks mit einem Zeitintegral der Differenz zwischen einem Wasserstoffversorgungsdruck, der durch Einstellen des Wasserstoffversorgungsdrucks verringert wird, und einem anfänglichen Wasserstoffversorgungsdruck, wobei eine Energieerzeugung der Brennstoffzelle gestoppt wird; und weiteres Spülen der Anode mit Wasserstoff beim Neustarten der Energieerzeugung der Brennstoffzelle, wenn das Integral größer als der voreingestellte Referenzdruck ist. Die Anzahl der Durchführung der weiteren Spülungen kann proportional zu der Differenz zwischen dem Integral und dem voreingestellten Referenzdruck sein.
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Zusätzlich kann eine voreingestellte Menge an Stickstoff mit einem Zeitintegral einer Übertragungsrate von Stickstoff, der in eine Anodenseite durch Einstellen des Wasserstoffversorgungsdrucks bewegt wird, vergleichen werden; und weiteres Spülen der Anode mit Wasserstoff beim Neustarten einer Energieerzeugung der Brennstoffzelle, wenn der Integralwert größer als die voreingestellte Menge an Stickstoff ist. Die Anzahl der Durchführungen der weiteren Spülungen kann proportional zu der Differenz zwischen dem Integral und der voreingestellten Menge an Stickstoff sein. Eine Kathode kann mit Luft versorgt werden, nachdem eine Menge an Wasserstoff an der Anodenseite eine Sollmenge erreicht, wenn der Wasserstoffversorgungsdruck durch Neustarten der Energieerzeugung der Brennstoffzelle erhöht wird. Ein weiteres Spülen der Anode mit Wasserstoff kann nach Zuführen von Luft an die Kathode durchgeführt werden. Bevor die Menge an Wasserstoff an der Anodenseite die Sollmenge erreicht, wird eine Spannung eines Hauptbusanschlusses, der mit einer Ausgangsseite des Brennstoffzellenstapels verbunden ist, derart eingestellt, so dass sie größer als die Spannung des Brennstoffzellenstapels ist.
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Das Steuerverfahren des Brennstoffzellensystems kann ferner umfassen: Vergleichen einer voreingestellten Referenzzeitdauer mit einer Verarbeitungszeit zum Einstellen des Wasserstoffversorgungsdrucks an der Anodenseite; und Erhöhen des Wasserstoffversorgungsdrucks während einer vorgegebenen Zeitdauer beim Neustarten einer Energieerzeugung der Brennstoffzelle, falls die Verarbeitungszeit größer als die voreingestellte Referenzzeitdauer ist, auf der Grundlage des reduzierten Wasserstoffversorgungsdrucks. Die Verarbeitungszeit, die die voreingestellte Referenzzeitdauer überschreitet, kann proportional zu zumindest einem aus sowohl der vorgegebenen Zeitdauer als auch dem erhöhten Wasserstoffversorgungsdruck sein.
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Ein voreingestellter Referenzdruck kann ebenfalls mit einem Zeitintegral der Differenz zwischen einem Wasserstoffversorgungsdruck, der durch Einstellen des Wasserstoffversorgungsdrucks verringert wird, und einem anfänglichen Wasserstoffversorgungsdruck, wobei die Energieerzeugung der Brennstoffzelle gestoppt wird, vergleichen werden; und Erhöhen eines Wasserstoffversorgungsdrucks während einer vorgegebenen Zeitdauer beim Neustarten der Energieerzeugung der Brennstoffzelle, wenn das Integral größer als der voreingestellte Referenzdruck ist. Die Differenz zwischen dem Integral und dem voreingestellten Referenzdruck kann proportional zu zumindest einem aus sowohl der vorgegebenen Zeitdauer als auch dem erhöhten Wasserstoffversorgungsdruck sein.
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Darüber hinaus kann eine voreingestellte Menge an Stickstoff mit einem Zeitintegral einer Übertragungsrate von Stickstoff, der in die Anodenseite durch Einstellen des Wasserstoffversorgungsdrucks bewegt wird, vergleichen werden, und ein Wasserstoffversorgungsdruck kann während einer vorgegebenen Zeitdauer beim Neustarten einer Energieerzeugung der Brennstoffzelle erhöht werden, falls das Integral größer als die voreingestellte Menge an Stickstoff ist. Die Differenz zwischen dem Integral und der voreingestellten Menge an Stickstoff kann proportional zu zumindest einem aus der vorgegebenen Zeitdauer und dem erhöhten Wasserstoffversorgungsdruck sein.
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Die Übertragungsrate von Stickstoff kann von zumindest einem aus einem befeuchteten Zustand des Brennstoffzellenstapels, einer Spannung des Brennstoffzellenstapels und der Differenz zwischen einem Wasserstoffversorgungsdruck, der durch Einstellen des Wasserstoffversorgungsdrucks abgesenkt wird, und einem anfänglichen Wasserstoffversorgungsdruck, wobei die Energieerzeugung der Brennstoffzelle gestoppt wird, abhängig sein. Die Übertragungsrate von Stickstoff kann erhöht werden, wenn ein befeuchteter Zustand des Brennstoffzellenstapels zunimmt, wenn eine Temperatur des Brennstoffzellenstapels zunimmt, wenn eine Spannung des Brennstoffzellenstapels abnimmt und wenn die Differenz zwischen einem Wasserstoffversorgungsdruck, der durch Einstellen des Wasserstoffversorgungsdrucks verringert wird, und einem anfänglichen Wasserstoffversorgungsdruck, wobei die Energieerzeugung der Brennstoffzelle gestoppt wird, wesentlich ist.
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Das Integral kann eine obere Grenze aufweisen, die erhöht werden kann, wenn ein Stauluftstrom eingedüst wird. Ein Neustarten der Energieerzeugung der Brennstoffzelle kann ebenfalls durchgeführt werden, wenn das Integral größer als ein voreingestellter Wert ist. Ein weiteres Spülen mit Wasserstoff kann ferner nach Erhöhen des Wasserstoffversorgungsdrucks umfasst sein. Ein Neustarten der Energieerzeugung der Brennstoffzelle kann durchgeführt werden, wenn die Verarbeitungszeit größer als eine voreingestellte Referenzzeitdauer ist. Ein Neustarten der Energieerzeugung der Brennstoffzelle kann beendet werden, nachdem ein weiteres Spülen mit dem Wasserstoff abgeschlossen ist.
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Das Steuerverfahren eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann eine Wasserstoffüberführung durch Einstellen eines Wasserstoffversorgungsdrucks einer Brennstoffzelle beim Stoppen einer Energieerzeugung der Brennstoffzelle minimieren. Durch Minimieren der Wasserstoffüberführung kann die Kraftstoffeffizienz verbessert werden und Abgase können reduziert werden. Beim Neustarten der Energieerzeugung der Brennstoffzelle, da der Wasserstoffversorgungsdruck erhöht werden kann und dann die Anode mit dem Wasserstoff gespült werden kann, kann Stickstoff an einer Anode beseitigt werden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die obigen und weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen deutlicher. In den Figuren zeigen:
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1 eine beispielhafte Ansicht, die ein gesamtes Brennstoffzellensystem gemäß dem Stand der Technik darstellt;
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2 ein beispielhaftes Blockdiagramm eines Leistungsnetzes eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3A und 3B beispielhafte Graphen, die Änderungen/Schwankungen des Wasserstoffversorgungsdrucks gemäß einer Spannung eines Brennstoffzellenstapels beim Stoppen einer Energieerzeugung einer Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellen;
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4 eine beispielhafte Ansicht, die ein Brennstoffzellen-Steuerverfahren, in dem gemäß einer Verarbeitungszeit zum Verringern eines Wasserstoffversorgungsdrucks der Wasserstoffversorgungsdruck beim Neustarten einer Brennstoffzelle erhöht wird und eine Anode mit Wasserstoff gespült wird, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt; und
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5 einen beispielhaften Graphen, der Änderungen einer Spannung eines Brennstoffzellenstapels und Änderungen eines Wasserstoffversorgungsdrucks mit der Zeit in einem Brennstoffzellensystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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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, Lastwägen, 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.
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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/Steuereinheit 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.
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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).
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Sofern nicht ausdrücklich angegeben oder aus dem Kontext ersichtlich, wird der Begriff ”ungefähr/in etwa”, 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/in etwa” 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/in etwa” verändert.
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Spezifische strukturelle oder funktionelle Beschreibungen in den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, die in der Beschreibung oder Anmeldung offenbart sind, dienen nur der Beschreibung der Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung, die in verschiedenen Formen ausgeführt/ausgebildet werden können und sollten nicht derart verstanden werden, dass sie auf die in der Beschreibung oder Anmeldung beschriebenen Ausführungsformen eingeschränkt sind. Bestimmte Ausführungsformen werden in den Zeichnungen dargestellt und im Detail in der vorliegenden Beschreibung oder Anmeldung beschrieben, weil die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung verschiedene Formen und Modifikationen aufweisen können. Es versteht sich jedoch, dass keine Absicht besteht, die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auf die bestimmten Ausführungsbeispiele zu beschränken, sondern dass beabsichtigt ist, alle Modifikationen/Änderungen, Äquivalente und Alternativen, die in dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung umfasst sind, abzudecken.
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Obwohl die Begriffe ”erste”, ”zweite”, etc. hierin verwendet werden können, um verschiedene Elemente zu beschreiben, sollten diese Elemente durch diese Begriffe nicht eingeschränkt werden. Diese Begriffe werden verwendet, um ein Element von einem weiteren Element zu unterscheiden. Zum Beispiel könnte ein erstes Element als ein zweites Element bezeichnet werden und in ähnlicher Weise könnte ein zweites Element als ein erstes Element bezeichnet werden, ohne von dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Es versteht sich, dass, wenn ein Element derart bezeichnet wird, dass es mit einem weiteren Element ”gekoppelt” oder ”verbunden” ist, es mit dem anderen Element direkt gekoppelt oder verbunden sein kann oder dazwischen angeordnete Elemente vorhanden sein können. Im Gegensatz dazu, wenn ein Element derart bezeichnet wird, dass es mit einem weiteren Element ”direkt gekoppelt” oder ”direkt verbunden” ist, sind keine Zwischenelemente vorhanden. Andere Worte/Ausdrücke, die verwendet werden, um die Beziehung zwischen Elementen zu beschreiben, sollten in ähnlicher Art und Weise ausgelegt werden (beispielsweise ”zwischen” im Vergleich zu ”direkt zwischen”, ”benachbart/neben” im Vergleich zu ”direkt benachbart/neben”, usw.).
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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.
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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 auf dem Gebiet, zu dem diese Erfindung gehört, verstanden werden. Es versteht sich ferner, dass Ausdrücke/Begriffe, wie jene, die in häufig verwendeten Wörterbüchern definiert sind, derart ausgelegt werden sollten, dass sie eine Bedeutung aufweisen, die mit ihrer Bedeutung im Kontext des Standes der Technik konsistent ist und nicht in einem idealisierten oder übermäßig formalen Sinne ausgelegt werden, sofern dies nicht ausdrücklich hierin bestimmt wird.
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Es wird nun Bezug genommen auf die Zeichnungen, in denen die gleichen Bezugszeichen überall in den verschiedenen Zeichnungen verwendet werden, um die gleichen oder ähnlichen Komponenten zu bezeichnen. Das hierin beschriebene Steuerverfahren kann durch eine Steuerung mit einem Prozessor und einem Speicher ausgeführt werden. Darüber hinaus können die verschiedenen Spannungen und Drücke unter Verwendung von verschiedenen Arten/Typen von Sensoren gemessen werden.
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2 zeigt ein beispielhaftes Blockdiagramm eines Leistungsnetzes eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wie in 2 gezeigt, kann ein Brennstoffzellen-Hybridsystem für ein Fahrzeug umfassen: eine Brennstoffzelle 10 als eine Hauptenergiequelle und eine Hochspannungsbatterie (Hauptbatterie) 220 als eine Hilfsenergiequelle, wobei die Brennstoffzelle 10 und die Hochspannungsbatterie (z. B. Hauptbatterie) 220 über einen Hauptbusanschluss 211 parallel geschaltet/verbunden sind; einen bidirektionalen Gleichstrom/Gleichstrom-(DC/DC)Wandler (z. B. BHDC: Bidirektionaler Hochspannungs-DC/DC-Wandler) 221, der mit der Hochspannungsbatterie 220 zum Einstellen der Ausgangsleistung der Hochspannungsbatterie 220 verbunden ist; einen Inverter 231, der mit dem Hauptbusanschluss 211 auf der Ausgangsseite von sowohl der Brennstoffzelle 10 als auch der Hochspannungsbatterie 220 verbunden ist; einen Antriebsmotor 232, der mit dem Inverter 231 verbunden ist; eine Hochspannungslast 233 innerhalb des Fahrzeugs, mit Ausnahme des Inverters 231 und des Antriebsmotors 232; eine Niederspannungsbatterie (z. B. Hilfsbatterie) 240 und eine Niederspannungslast 241; einen Niederspannungs-DC/DC-Wandler (z. B. LDC: Niederspannungs-DC/DC-Wandler) 242, der die Niederspannungsbatterie 240 und den Hauptbusanschluss 211 miteinander verbindet, zum Umwandeln einer Hochspannung in eine Niederspannung; und eine Brennstoffzellen-Lastvorrichtung 20.
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Hierbei können sowohl die Brennstoffzelle 10 als eine Hauptenergiequelle als auch die Hochspannungsbatterie 220 als eine Hilfsenergiequelle über den Hauptbusanschluss 211 zu systeminternen Lasten, wie beispielsweise der Inverter 231, der Antriebsmotor 232, usw. parallel geschaltet werden. Der bidirektionale DC/DC-Wandler 221, der mit der Hochspannungsbatterie verbunden ist, kann mit dem Hauptbusanschluss 211 an der Ausgangsseite der Brennstoffzelle 10 verbunden werden, und demzufolge kann es möglich sein, die Ausgangsleistung von sowohl der Brennstoffzelle 10 als auch der Hochspannungsbatterie 220 durch Einstellen einer Spannung des bidirektionalen DC/DC-Wandlers 221 zu steuern/regeln (z. B. eine Ausgangsspannung an den Hauptbusanschluss).
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Die Brennstoffzelle 10 kann an ihrem Ausgangsanschluss eine Diode 213 zum Verhindern eines Rückstromes und ein Relais 214 zum wahlweisen Verbinden der Brennstoffzelle 10 mit dem Hauptbusanschluss 211 umfassen. Das Relais 214 kann innerhalb des in 2 gezeigten Leistungsnetzes angeordnet werden, aber ist nicht in dem in 3A und 3B dargestellten Leistungsnetz angeordnet. Das Relais 214 in 2 kann die Brennstoffzelle 10 mit dem Hauptbus während des Leerlauf-Stopp-/Neustart-Prozesses des Brennstoffzellensystems ebenso wie während des Fahrens des Fahrzeugs in einem normalen Betrieb der Brennstoffzelle 10 verbinden (z. B. wenn kein Fehler oder keine Störung/Fehlfunktion auftritt). Das Relais 214 kann zusätzlich die Brennstoffzelle 10 von dem Hauptbus auf ein Schlüssel-Aus des Fahrzeugs (z. B. normales Abstellen/Abschalten) oder eine Notabschaltung trennen. Die Brennstoffzellen-Lastvorrichtung 20 kann eine Last zum Ableiten einer Spannung der Brennstoffzelle auf eine Inbetriebnahme und eine Abschaltung der Brennstoffzelle sein. Die Brennstoffzelle 10 und die Brennstoffzellen-Lastvorrichtung 20 können über ein Brennstoffzellen-Lastrelais 25 verbunden werden.
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3A und 3B zeigen beispielhafte Graphen, die Änderungen/Schwankungen des Wasserstoffversorgungsdrucks gemäß einer Spannung eines Brennstoffzellenstapels beim Stoppen einer Energieerzeugung einer Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellen. 4 zeigt eine beispielhafte Ansicht, die ein Brennstoffzellen-Steuerverfahren, in dem gemäß einer Verarbeitungszeit zum Verringern eines Wasserstoffversorgungsdrucks der Wasserstoffversorgungsdruck beim Neustarten einer Brennstoffzelle erhöht wird und eine Anode mit Wasserstoff gespült wird, in einfacher Weise darstellt. 5 zeigt einen beispielhaften Graphen, der Änderungen einer Spannung eines Brennstoffzellenstapels und Änderungen eines Wasserstoffversorgungsdrucks mit der Zeit in einem Brennstoffzellensystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
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Ein Steuerverfahren eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann umfassen ein Erfassen einer Spannung eines Brennstoffzellenstapels beim Stoppen einer Energieerzeugung einer Brennstoffzelle; und Einstellen eines Wasserstoffversorgungsdrucks an einer Anodenseite auf der Grundlage der erfassten Änderung der Spannung. Mit anderen Worten stoppen bestehende Brennstoffzellensysteme lediglich eine Zufuhr an Luft nach Stoppen der Energieerzeugung der Brennstoffzelle, während das Brennstoffzellensystem gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die Luftzufuhr stoppt und ebenfalls einen Wasserstoffversorgungsdruck nach Stoppen der Energieerzeugung der Brennstoffzelle reduziert.
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Das Einstellen des Wasserstoffversorgungsdrucks kann durchgeführt werden, wenn eine Spannung des Brennstoffzellenstapels kleiner als eine voreingestellte Referenzspannung ist nach Stoppen der Energieerzeugung der Brennstoffzelle. Vor der Einstellung des Wasserstoffversorgungsdrucks kann ein Einströmen von Luft in den Brennstoffzellenstapel 10 abgesperrt werden. Darüber hinaus, beim Einstellen des Wasserstoffversorgungsdrucks, kann eine Bereitstellung der Ausgangsleistung von dem Brennstoffzellenstapel 10 an einen Hauptbusanschluss 211 durch Einstellen einer Spannung des Hauptbusanschlusses, der mit der Ausgangsseite der Brennstoffzelle 10 verbunden ist, verhindert werden, so dass sie größer als die Spannung des Brennstoffzellenstapels 10 ist.
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Ferner kann, beim Einstellen des Wasserstoffversorgungsdrucks wie in 3B gezeigt, der Wasserstoffversorgungsdruck zum Aufweisen eines Hysterese-Bereichs auf der Grundlage der Änderung der Spannung des Brennstoffzellenstapels 10 eingestellt werden. Im Allgemeinen kann, nach Stoppen der Energieerzeugung der Brennstoffzelle, die Spannung des Brennstoffzellenstapels 10 durch Vorrichtungen einschließlich einer Brennstoffzellen-Lastvorrichtung 20 und dergleichen verringert werden. Da die Spannung des Brennstoffzellenstapels verringert wird, kann der Wasserstoffversorgungsdruck verringert werden. Wenn die Spannung des Brennstoffzellenstapels 10 aufgrund eines Einströmens von Luft in den Brennstoffzellenstapel 10 erhöht wird, kann der Wasserstoffversorgungsdruck erhöht werden.
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3B zeigt eine beispielhafte detaillierte Ansicht des gekennzeichneten Abschnitts in 3A. Wie in 3A gezeigt, wenn eine Energieerzeugung der Brennstoffzelle gestoppt wird, kann die Luftströmungsmenge ungefähr Null betragen und der Wasserstoffversorgungsdruck kann im Wesentlichen konstant bleiben. Jedoch, wie in 3B gezeigt, kann die vorliegende Erfindung den Wasserstoffversorgungsdruck reduzieren, da die Spannung des Brennstoffzellenstapels verringert wird. Unter Bezugnahme auf 3B ist der Abschnitt A ein Abschnitt zum Entfernen/Beseitigen der Spannung des Brennstoffzellenstapels 10. Mit anderen Worten kann in dem Abschnitt A die Spannung des Brennstoffzellenstapels 10 durch absichtliches Laden einer Hochspannungsbatterie oder Verwenden einer Brennstoffzellen-Lastvorrichtung 20 abgebaut werden. Nachdem die Spannung des Brennstoffzellenstapels 10, so dass sie kleiner als eine voreingestellte Spannung ist, unter Verwendung der Lasten zwangsweise verringert ist, kann in dem Abschnitt B der Wasserstoffversorgungsdruck verringert werden.
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In dem Abschnitt B, da die Spannung des Hauptbusanschlusses derart eingestellt wird, so dass sie größer als die Spannung des Brennstoffzellenstapels ist, kann die Ausgangsleistung von dem Brennstoffzellenstapel abgeschaltet werden und eine Wasserstoffüberführung von einer Anode zu einer Kathode kann minimiert werden. Darüber hinaus kann ein Einströmen von Sauerstoff an die Anode verhindert werden. Insbesondere können Faktoren einschließlich einer Erwiderung/Rückmeldung beim Neustarten der Brennstoffzelle, Frequenzen von Betätigungen der Luftabsperrventile, Verhinderung einer Einströmung von Luft und dergleichen synthetisch betrachtet werden. In dem Abschnitt B kann der Wasserstoffversorgungsdruck derart eingestellt werden, um ein Hysterese-Band aufzuweisen. Demzufolge, wenn die Spannung des Brennstoffzellenstapels 10 aufgrund eines Einströmens von Luft erhöht wird, kann der Wasserstoffversorgungsdruck erhöht werden. Beim Verringern des Wasserstoffversorgungsdrucks kann die Verarbeitungszeit zum Verringern des Wasserstoffversorgungsdrucks gemessen werden.
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Unter Bezugnahme auf 5, da die Spannung verringert wird, wenn die Spannung des Brennstoffzellenstapels kleiner als eine voreingestellte Spannung ist, kann der Wasserstoffversorgungsdruck verringert werden. Zusätzlich kann das Steuerverfahren eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ferner umfassen ein Spülen einer Anode mit Wasserstoff beim Neustarten einer Energieerzeugung einer Brennstoffzelle, falls die Verarbeitungszeit zum Einstellen des Wasserstoffversorgungsdrucks an der Anodenseite größer als eine Referenzzeitdauer ist, die auf der Grundlage des reduzierten Wasserstoffversorgungsdrucks voreingestellt wird.
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Ferner kann beim Vergleichen eines voreingestellten Referenzdrucks mit einem Zeitintegral der Differenz zwischen dem Wasserstoffversorgungsdruck, der durch Einstellung des Wasserstoffversorgungsdrucks reduziert wird, und einem anfänglichen Wasserstoffversorgungsdruck, wobei eine Energieerzeugung der Brennstoffzelle gestoppt wird, wenn das Integral größer als der voreingestellte Referenzdruck ist, ein weiteres Spülen einer Anode mit Wasserstoff beim Neustarten einer Energieerzeugung der Brennstoffzelle umfasst sein. Darüber hinaus kann beim Vergleichen einer voreingestellten Menge an Stickstoff mit einem Zeitintegral der Übertragungsrate von Stickstoff, der zu der Anode durch Einstellung des Wasserstoffversorgungsdrucks bewegt wird, wenn das Integral größer als die voreingestellte Menge an Stickstoff ist, ein weiteres Spulen der Anode mit Wasserstoff beim Neustarten der Energieerzeugung der Brennstoffzelle umfasst sein.
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Eine voreingestellte Referenzzeitdauer kann verglichen werden mit der Verarbeitungszeit zum Einstellen des Wasserstoffversorgungsdrucks an der Anodenseite, wenn die Verarbeitungszeit größer als die voreingestellte Referenzzeitdauer ist, auf der Grundlage des verringerten Wasserstoffversorgungsdrucks, und der Wasserstoffversorgungsdruck kann während einer vorgegebenen Zeitdauer (Tadd_rst) beim Neustarten einer Energieerzeugung der Brennstoffzelle erhöht werden. Wenn der voreingestellte Referenzdruck vergleichen wird mit einem Zeitintegral der Differenz zwischen dem Wasserstoffversorgungsdruck, der durch Einstellung des Wasserstoffversorgungsdrucks verringert wird, und einem anfänglichen Wasserstoffversorgungsdruck, wobei eine Energieerzeugung der Brennstoffzelle gestoppt wird, und wenn das Integral größer als der voreingestellte Referenzdruck ist, kann der Wasserstoffversorgungsdruck während der vorgegebenen Zeitdauer (Tadd_rst) beim Neustarten einer Energieerzeugung der Brennstoffzelle erhöht werden.
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Eine voreingestellte Menge an Stickstoff kann vergleichen werden mit einem Zeitintegral der Übertragungsrate von Stickstoff, der zu der Anode durch eine Einstellung des Wasserstoffversorgungsdrucks bewegt wird, wenn das Integral größer als die voreingestellte Menge an Stickstoff ist, und der Wasserstoffversorgungsdruck kann während der vorgegebenen Zeitdauer (Tadd_rst) beim Neustarten der Energieerzeugung der Brennstoffzelle erhöht werden.
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Insbesondere kann die voreingestellte Referenzzeitdauer gemäß dem Wasserstoffversorgungsdruck variieren. Mit anderen Worten kann gemäß dem Grad, wie weit der Wasserstoffversorgungsdruck durch Einstellung des Wasserstoffversorgungsdrucks verringert wird (z. B. ein Reduktionsgrad), die voreingestellte Referenzzeitdauer unterschiedlich sein. Zum Beispiel, obwohl die Verarbeitungszeit zum Verringern des Wasserstoffversorgungsdrucks eine bestimmte Länge aufweist, wenn der Grad zum Verringern des Wasserstoffversorgungsdrucks kleiner als der ist, bei dem die Verarbeitungszeit zum Verringern des Wasserstoffversorgungsdrucks minimal ist, kann die Referenzzeitdauer derart eingestellt werden, so dass sie erhöht wird.
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Außerdem kann die die voreingestellte Referenzzeitdauer überschreitende Verarbeitungszeit proportional zu der Anzahl von Durchführungen eines weiteren Spülen sein und kann proportional zu zumindest einem aus der vorgegebenen Zeitdauer und dem erhöhten Wasserstoffversorgungsdruck sein. Mit anderen Worten, unter der Annahme, dass der Grad zum Verringern des Wasserstoffversorgungsdrucks mit der Zeit im Wesentlichen konstant bleibt, kann, wie viel die Verarbeitungszeit zum Einstellen des Wasserstoffversorgungsdrucks die voreingestellte Referenzzeitdauer überschreitet, anzeigen, wie niedrig der Wasserstoffversorgungsdruck an der Anodenseite ist. Zusätzlich, da der Wasserstoffversorgungsdruck reduziert wird, kann die Zeitdauer zum Erhöhen des Wasserstoffversorgungsdrucks (Tadd_rst) erhöht werden und der Wasserstoffversorgungsdruck, der erhöht werden soll (Padd_rst) kann wesentlicher sein (kann beispielsweise erhöht werden). Zusätzlich kann die Anzahl der Male, dass ein weiteres Spülen durchgeführt wird, erhöht werden.
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Wie oben beschrieben, kann in bestehenden Brennstoffzellensystemen, beim Stoppen einer Energieerzeugung der Brennstoffzelle, die Menge an zugeführter Luft eingestellt werden und der Wasserstoffversorgungsdruck kann im Wesentlichen konstant bleiben. Folglich, beim Vergleichen des voreingestellten Referenzdrucks mit einem Zeitintegral der Differenz zwischen einem konstanten Wert (z. B. wird der konstante Wert als ein anfänglicher Wasserstoffversorgungsdruck dargestellt, bei dem eine Energieerzeugung der Brennstoffzelle gestoppt wird) und dem Wasserstoffversorgungsdruck, der durch Einstellung des Wasserstoffversorgungsdrucks reduziert wird, wenn die Differenz zwischen dem Integral und dem voreingestellten Referenzdruck erhöht wird, zeigt dies an, dass der Wasserstoffversorgungsdruck nach Stoppen einer Energieerzeugung der Brennstoffzelle im Wesentlichen verringert wird. Demzufolge kann die Anode mit Wasserstoff weiter gespült werden oder der Wasserstoffversorgungsdruck kann während der vorgegebenen Zeitdauer (Tadd_rst) erhöht werden. Zum Beispiel kann die Differenz zwischen dem voreingestellten Referenzdruck und dem Integral proportional sein zu der vorgegebenen Zeitdauer (Tadd_rst), dem Wasserstoffversorgungsdruck, der erhöht werden soll (Padd_rst) oder der Anzahl von Malen, dass ein weiteres Spülen mit Wasserstoff durchgeführt wird.
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Insbesondere kann die Übertragungsrate von Stickstoff von zumindest einem aus einem befeuchteten Zustand des Brennstoffzellenstapels 10, einer Spannung des Brennstoffzellenstapels 10 oder der Differenz zwischen dem Wasserstoffversorgungsdruck, der durch Einstellung des Wasserstoffversorgungsdrucks abgesenkt wird, und dem anfänglichen Wasserstoffversorgungsdruck, wobei eine Energieerzeugung der Brennstoffzelle gestoppt wird, abhängig sein. Insbesondere kann die Übertragungsrate von Stickstoff erhöht werden, wenn der befeuchtete Zustand des Brennstoffzellenstapels 10 zunimmt; wenn die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 zunimmt; wenn die Spannung des Brennstoffzellenstapels 10 abnimmt; und wenn die Differenz zwischen dem Wasserstoffversorgungsdruck, der durch Einstellung des Wasserstoffversorgungsdrucks abgesenkt wird, und dem anfänglichen Wasserstoffversorgungsdruck, wobei eine Energieerzeugung der Brennstoffzelle gestoppt wird, wesentlich ist (z. B. erhöht ist).
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Beide der oben beschriebenen Integrale weisen eine obere Grenze auf, und die obere Grenze kann erhöht werden, wenn eine Stauluftströmung eingedüst wird. Die Menge eines Einströmens der eingedüsten Stauluftströmung kann durch einen Luftströmungserfassungssensor erfasst werden und es kann möglich sein, zu bestimmen, dass die Einströmungsmenge der Stauluft erhöht wird, wenn die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs zunimmt.
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Ferner kann gemäß dem Steuerverfahren eines Brennstoffzellensystems der vorliegenden Erfindung die Anode mit Wasserstoff nach Erhöhen des Wasserstoffversorgungsdrucks während der vorgegebenen Zeitdauer weiter gespült werden (Pugadd_rst in 4). Jedoch kann ein weiteres Spülen mit Wasserstoff durchgeführt werden, nachdem die Menge an Wasserstoff an der Anode eine Sollmenge an Wasserstoff erreicht, da der Wasserstoffversorgungsdruck durch Neustarten einer Energieerzeugung der Brennstoffzelle erhöht wird, und nachdem Luft an eine Kathode zugeführt wird, da eine Verdünnung der Luft beim Spülen mit Wasserstoff erforderlich ist. Die Anzahl der Durchführungen von weiteren Spülungen und der Zyklus zum Spülen mit Wasserstoff können variieren. Auch kann eine Energieerzeugung neugestartet werden, nachdem ein Spülen mit Wasserstoff beendet ist.
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Unter Bezugnahme auf 5 kann ein Wasserstoffversorgungsdruck erhöht werden und dann kann ein Spülen mit Wasserstoff durchgeführt werden, um den Wasserstoffversorgungsdruck abzusenken. Ein Spülen mit Wasserstoff kann durchgeführt werden, nachdem die Zufuhr von Luft gestartet worden ist. Mit anderen Worten, nachdem die Menge an Wasserstoff an der Anodenseite eine Sollmenge erreicht, kann Luft an die Kathode zugeführt werden, und dann kann die Anode mit Wasserstoff weiter gespült werden. Die Sollmenge an Wasserstoff kann eine Menge sein, die zum Neustarten einer Energieerzeugung der Brennstoffzelle in einem Neustartprozess der Energieerzeugung der Brennstoffzelle erforderlich ist. Wenn der Wasserstoffversorgungsdruck erhöht wird oder die Anode weiter mit Wasserstoff gespült wird, kann die Menge an Wasserstoff größer als die Sollmenge von Wasserstoff sein.
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Mit anderen Worten, wenn die Menge an Wasserstoff an der Anodenseite die Sollmenge an Wasserstoff beim Neustarten einer Energieerzeugung der Brennstoffzelle erreicht, kann Luft an die Kathode zugeführt werden. Ein weiteres Spülen mit Wasserstoff kann nach der Zufuhr von Luft durchgeführt werden. Der Neustartprozess der Energieerzeugung der Brennstoffzelle kann auf der Grundlage von sowohl dem Ladezustand (State of Charge – SOC) einer Hochspannungsbatterie als auch einem Drehmoment, das von einem Fahrer benötigt wird, gestartet werden. Während eine Energieerzeugung der Brennstoffzelle gestoppt wird, wenn der SOC der Hochspannungsbatterie kleiner als ein Referenzwert für einen SOC ist oder wenn das von dem Fahrer benötigte Drehmoment größer als ein Referenzwert für ein Drehmoment ist, kann der Neustartprozess einer Energieerzeugung der Brennstoffzelle gestartet werden.
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Zusätzlich kann der Neustartprozess einer Energieerzeugung der Brennstoffzelle gestartet werden, wenn die Integrale größer als voreingestellte Werte sind oder wenn die Verarbeitungszeit größer als eine voreingestellte Zeit ist. Insbesondere bevor die Menge des Wasserstoffs an der Anodenseite die Sollmenge erreicht, kann die Ausgangsleistung von dem Brennstoffzellenstapel durch Einstellen der Spannung des Hauptbusanschlusses, der an der Ausgangsseite des Brennstoffzellenstapels angeschlossen ist, abgeschaltet werden, um größer als die Spannung des Brennstoffzellenstapels zu sein. Das Steuerverfahren und -System eines Brennstoffzellensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung können somit eine Wasserstoffüberführung durch Einstellen eines Wasserstoffversorgungsdrucks einer Brennstoffzelle beim Stoppen einer Energieerzeugung der Brennstoffzelle minimieren. Durch Minimieren einer Wasserstoffüberführung kann die Kraftstoffeffizienz verbessert werden und Abgase können reduziert werden. Beim Neustarten einer Energieerzeugung der Brennstoffzelle, da ein Wasserstoffversorgungsdruck erhöht werden kann und dann die Anode mit Wasserstoff gespült werden kann, kann Stickstoff an einer Anode beseitigt werden.
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Obwohl die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung für veranschaulichende Zwecke beschrieben worden sind, wird ein Durchschnittsfachmann erkennen, dass verschiedene Modifikationen, Hinzufügungen und Ersetzungen möglich sind, ohne von dem Umfang und der Lehre der Offenbarung, wie sie in den beigefügten Ansprüchen offenbart wird, abzuweichen.
