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Hintergrund
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Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem.
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Stand der Technik
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Verschiedene Technologien zum Aufwärmen einer Brennstoffzelle auf eine für eine Leistungserzeugung geeignete Temperatur wurden vorgeschlagen. Ein in der
JP 2009 -
32605 A beschriebenes Brennstoffzellensystem bewirkt beispielsweise, dass ein Betriebspunkt einer Brennstoffzelle von einer I-V (Strom-Spannungs)-Kennlinie in einem Hocheffizienz-Leistungserzeugungszustand der Brennstoffzelle abweicht, und dieses sieht daher einen Niedrigspannungs- und Hochstrom-Zustand vor. Dieses verändert bzw. wechselt den Leistungserzeugungszustand der Brennstoffzelle hin zu einem Niedrigeffizienz-Leistungserzeugungszustand, um die Brennstoffzelle aufzuwärmen.
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Wenn die Notwendigkeit zum Aufwärmen entfallen ist, wird der Leistungserzeugungszustand der Brennstoffzelle ausgehend von dem Niedrigeffizienz-Leistungserzeugungszustand von niedriger Spannung und hohem Strom hin zu dem herkömmlichen Leistungserzeugungszustand von hoher Spannung und niedrigem Strom verändert bzw. gewechselt. Bei dem Vorgang zum Verändern bzw. Wechseln des Leistungserzeugungszustands kann eine plötzliche Zunahme der Spannung in einer kurzen Zeitphase bewirken, dass ein übermäßiger Strom in einem DC-DC-Wandler fließt. Eine sanfte Zunahme der Spannung ist entsprechend bei dem Vorgang zum Wechseln des Leistungserzeugungszustands vorzuziehen. Es ist jedoch wahrscheinlich, dass eine sanfte Zunahme der Spannung bewirkt, dass der Stromwert auf einen Zielwert abnimmt, auch wenn die Spannung noch nicht auf einen Zielwert angestiegen ist, und diese bewirkt dadurch eine temporäre Abnahme des Ausgangs der Brennstoffzelle. Eine solche Abnahme des Ausgangs kann in einigen Verwendungsbedingungen des Brennstoffzellensystems nicht unbedeutend sein.
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Kurzfassung
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Um zumindest einen Teil der vorstehenden Probleme zu lösen, kann die Erfindung durch irgendeinen der nachfolgenden Aspekte implementiert sein.
- (1) Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem vorgesehen. Dieses Brennstoffzellensystem umfasst eine Brennstoffzelle; einen Brennstoffzellen-Steuerungswandler, welcher mit der Brennstoffzelle verbunden ist; eine Oxidationsgas-Versorgungsvorrichtung bzw. -Zuführvorrichtung, welche derart konfiguriert ist, dass diese ein Oxidationsgas hin zu der Brennstoffzelle führt; und eine Steuerungsvorrichtung, welche derart konfiguriert ist, dass diese eine Spannung und einen Stromwert der Brennstoffzelle unter Verwendung des Brennstoffzellen-Steuerungswandlers und der Oxidationsgas-Versorgungsvorrichtung steuert. In einem ersten Leistungserzeugungszustand stellt die Steuerungsvorrichtung die Spannung und den Stromwert der Brennstoffzelle gemäß einem erforderlichen Ausgang basierend auf einer Strom-Spannungs-Charakteristik der Brennstoffzelle ein. In einem zweiten Leistungserzeugungszustand stellt die Steuerungsvorrichtung die Spannung und den Stromwert der Brennstoffzelle gemäß dem erforderlichen Ausgang und einem erforderlichen Wärmebetrag auf eine Spannung und einen Stromwert ein, welche eine niedrigere Leistungserzeugungseffizienz als eine Leistungserzeugungseffizienz in dem ersten Leistungserzeugungszustand vorsehen. Die Steuerungsvorrichtung reduziert den erforderlichen Wärmebetrag bei einem Vorgang zum Verändern bzw. Wechseln eines Leistungserzeugungszustands ausgehend von dem zweiten Leistungserzeugungszustand hin zu dem ersten Leistungserzeugungszustand. Bei dem Vorgang zum Wechseln des Leistungserzeugungszustands ausgehend von dem zweiten Leistungserzeugungszustand hin zu dem ersten Leistungserzeugungszustand reduziert die Steuerungsvorrichtung eine Abnahme des erforderlichen Wärmebetrags pro Zeiteinheit, wenn der erforderliche Ausgang größer oder gleich einem Referenzwert ist, im Vergleich zu einer Abnahme, wenn der erforderliche Ausgang kleiner als der Referenzwert ist. Bei dem Vorgang zum Wechseln des Leistungserzeugungszustands ausgehend von dem zweiten Leistungserzeugungszustand hin zu dem ersten Leistungserzeugungszustand, wenn der erforderliche Ausgang größer oder gleich dem Referenzwert ist, reduziert das Brennstoffzellensystem dieses Aspekts die Abnahme des erforderlichen Wärmebetrags pro Zeiteinheit. Dies unterdrückt eine temporäre Abnahme des Ausgangs der Brennstoffzelle, während plötzliche Veränderungen der Spannung und des Stromwerts bei dem Vorgang des Veränderns bzw. Wechselns des Leistungserzeugungszustands unterdrückt werden.
- (2) Bei dem Brennstoffzellensystem des vorstehenden Aspekts kann die Steuerungsvorrichtung die Abnahme des erforderlichen Wärmebetrags pro Zeiteinheit mit einer Zunahme der Spannung der Brennstoffzelle erhöhen, wenn der erforderliche Ausgang höher bzw. größer oder gleich dem Referenzwert ist. Wenn der erforderliche Ausgang größer oder gleich dem Referenzwert ist, ermöglicht diese Konfiguration, dass der Leistungserzeugungszustand in einer kurzen Zeitphase ausgehend von dem zweiten Leistungserzeugungszustand hin zu dem ersten Leistungserzeugungszustand verändert bzw. gewechselt wird, während eine temporäre Abnahme des Ausgangs der Brennstoffzelle unterdrückt wird.
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Die Erfindung kann durch irgendeinen von verschiedenen Aspekten, die sich von den vorstehend beschriebenen Aspekten des Brennstoffzellensystems unterscheiden, wie beispielsweise ein mit dem Brennstoffzellensystem ausgerüstetes Fahrzeug oder ein Steuerungsverfahren des Brennstoffzellensystems, implementiert sein.
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Figurenliste
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- 1 ist eine schematische Abbildung, welche die Konfiguration eines Brennstoffzellenfahrzeugs mit einem darauf montierten Brennstoffzellensystem darstellt;
- 2 ist ein Diagramm, welches eine I-V-Kennlinie und Betriebspunkte einer Brennstoffzelle zeigt;
- 3 ist ein Flussdiagramm, welches einen Leistungserzeugungszustands-Veränderungs- bzw. Wechselvorgang zeigt;
- 4A ist ein Zeitdiagramm eines schnellen Wechselvorgangs;
- 4B ist ein Zeitdiagramm, welches einen Konstant-Ausgang-Wechselvorgang zeigt;
- 5 ist ein Diagramm, welches Verschiebungen eines Betriebspunkts bei dem schnellen Wechselvorgang und bei dem Konstant-Ausgang-Wechselvorgang darstellt; und
- 6 ist ein Zeitdiagramm, welches eine Modifikation des Konstant-Ausgang-Wechselvorgangs zeigt.
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Detaillierte Beschreibung
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A. Ausführungsform
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1 ist eine schematische Abbildung, welche die Konfiguration eines Brennstoffzellenfahrzeugs 10 mit einem darauf montierten Brennstoffzellensystem 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt. Das Brennstoffzellenfahrzeug 10 umfasst eine Brennstoffzelle 110, einen Temperatursensor 112, eine Brenngas-Versorgungs- bzw. Zuführvorrichtung 120, eine Oxidationsgas-Versorgungs- bzw. Zuführvorrichtung 130, einen Brennstoffzellen-Steuerungswandler 131, einen Wechselrichter 132, einen Batterie-Steuerungswandler 134, einen Antriebsmotor 136, einen Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 139, eine Batterie 140, einen Hilfsmaschinenaufbau 150, eine Steuerungsvorrichtung 180, einen Gaspedalpositionsdetektor 190 und Räder 195. Das Brennstoffzellenfahrzeug 10 fährt durch ein Antreiben des Antriebsmotors 136 mit einer elektrischen Leistung, welche von der Brennstoffzelle 110 und/oder der Batterie 140 zugeführt wird. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst zumindest die Brennstoffzelle 110, den Brennstoffzellen-Steuerungswandler 131, die Oxidationsgas-Versorgungsvorrichtung 130 und die Steuerungsvorrichtung 180 aus den vorstehenden Komponenten.
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Die Brennstoffzelle 110 entspricht gemäß dieser Ausführungsform einer Polymerelektrolytbrennstoffzelle. Die Brennstoffzelle 110 besitzt eine Stapelstruktur durch Stapeln einer Mehrzahl von Einheitszellen hintereinander, welche jeweils eine Membranelektrodenanordnung (MEA) umfassen. Ein Wasserstoffgas wird ausgehend von der Brenngas-Versorgungsvorrichtung 120 als ein Brenngas hin zu den Anoden der Brennstoffzelle 110 geführt. Die Luft wird als ein Oxidationsgas ausgehend von der Oxidationsgas-Versorgungsvorrichtung 130 hin zu den Kathoden der Brennstoffzelle 110 geführt.
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Die Brenngas-Versorgungsvorrichtung 120 umfasst beispielsweise einen Wasserstofftank, verschiedene Ventile und einen Injektor. Die Brenngas-Versorgungsvorrichtung 120 führt das Brenngas unter einer Steuerung durch die Steuerungsvorrichtung 180 hin zu der Brennstoffzelle 110.
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Die Oxidationsgas-Versorgungsvorrichtung 130 umfasst beispielsweise einen Luftkompressor und verschiedene Ventile. Die Oxidationsgas-Versorgungsvorrichtung 130 führt das Oxidationsgas unter einer Steuerung durch die Steuerungsvorrichtung 180 hin zu der Brennstoffzelle 110. Die Oxidationsgas-Versorgungsvorrichtung 130 reguliert den Zuführbetrag des Oxidationsgases im Ansprechen auf einen Befehl von der Steuerungsvorrichtung 180, um die Spannung der Brennstoffzelle 110 an einen vorbestimmten Wert anzugleichen. Mit einer Zunahme des Zuführbetrags des Oxidationsgases nimmt die Spannung der Brennstoffzelle 110 auf einen Betriebspunkt auf einer später beschriebenen IV-Kennlinie zu.
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Der Temperatursensor 112 entspricht einem Sensor, welcher derart konfiguriert ist, dass dieser die Temperatur der Brennstoffzelle 110 misst. Der Temperatursensor 112 misst die Temperatur eines Kühlermediums, welches in der Brennstoffzelle 110 strömt, um die Temperatur der Brennstoffzelle 110 zu messen.
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Der Brennstoffzellen-Steuerungswandler 131 ist durch einen DC-DC-Wandler konfiguriert. Der Brennstoffzellen-Steuerungswandler 131 ist mit der Brennstoffzelle 110 verbunden und verändert die Schaltfrequenz eines internen Schaltelements im Ansprechen auf einen Befehl von der Steuerungsvorrichtung 180, um den Stromwerte der Brennstoffzelle 110 zu regulieren.
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Der Batterie-Steuerungswandler 134 ist durch einen DC-DC-Wandler konfiguriert. Der Batterie-Steuerungswandler 134 ist über den Brennstoffzellen-Steuerungswandler 131 mit der Brennstoffzelle 110 verbunden. Der Batterie-Steuerungswandler 134 verändert bzw. wechselt den Zustand der Batterie 140 im Ansprechen auf einen Befehl von der Steuerungsvorrichtung 180 zwischen einem Ladezustand und einem Entladezustand.
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Die Batterie 140 entspricht einem Akkumulator, welcher derart konfiguriert ist, dass dieser elektrische Energie sammelt bzw. aufnimmt, die durch die Brennstoffzelle 110 erzeugt wird, und ein Laden und Entladen wiederholt. Die Batterie 140 kann beispielsweise durch eine Lithium-Ionen-Batterie konfiguriert sein. Die Batterie 140 kann jedoch von einem anderen Batterietyp, wie einer Bleibatterie, einer Nickel-Kadmium-Batterie oder eine Nickel-Metallhydrid-Batterie, sein.
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Der Wechselrichter 132 wandelt eine DC-Leistung bzw. einen Gleichstrom, welche von der Brennstoffzelle 110 und/oder der Batterie 140 erhalten wird, in eine AC-Leistung bzw. einen Wechselstrom. Die gewandelte AC-Leistung wird hin zu dem Antriebsmotor 136 geführt.
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Der Antriebsmotor 136 ist durch einen Synchronmotor mit drei Phasenspulen konfiguriert. Der Antriebsmotor 136 empfängt die Zuführung der AC-Leistung von dem Wechselrichter 132, um die Räder 195 anzutreiben. Wenn in dem Antriebsmotor 136 durch die Rotation der Räder 195 eine regenerative Leistung erzeugt wird, wird die regenerative Leistung durch den Wechselrichter 132 in eine DC-Leistung umgewandelt und diese wird über den Batterie-Steuerungswandler 134 in die Batterie 140 geladen.
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Der Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 139 entspricht einem Sensor, welcher derart konfiguriert ist, dass dieser die Geschwindigkeit des Brennstoffzellenfahrzeugs 10 erfasst. Der Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 139 erfasst die Fahrzeuggeschwindigkeit basierend auf der Drehzahl des Antriebsmotors 136. Die erfasste Fahrzeuggeschwindigkeit wird hin zu der Steuerungsvorrichtung 180 übertragen.
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Der Gaspedalpositionsdetektor 190 erfasst den Betätigungsbetrag eines bei dem Fahrersitz des Brennstoffzellenfahrzeugs 10 vorgesehenen Gaspedals. Der erfasste Gaspedal-Betätigungsbetrag wird hin zu der Steuerungsvorrichtung 180 übertragen.
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Die Steuerungsvorrichtung 180 ist als ein Computer mit einer CPU, einem RAM, einem ROM und Schnittstellenschaltungen, welche mit den jeweiligen vorstehend beschriebenen Komponenten verbunden sind, konfiguriert. Die in der Steuerungsvorrichtung 180 vorgesehene CPU lädt ein in dem ROM auf dem RAM gespeichertes Steuerungsprogramm und führt dieses aus, um die Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle 110, das Laden und Entladen der Batterie 140 und den Antrieb des Brennstoffzellenfahrzeugs 10 zu steuern. Die Steuerungsvorrichtung 180 verwendet den Brennstoffzellen-Steuerungswandler 131 und die Oxidationsgas-Versorgungsvorrichtung 130, um die Spannung und den Stromwert der Brennstoffzelle 110 zu steuern. Gemäß dieser Ausführungsform verwendet die Steuerungsvorrichtung 180 mit Blick auf das Steuern der Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle 110 den Brennstoffzellen-Steuerungswandler 131, um den Stromwert der Brennstoffzelle 110 zu steuern, und diese verwendet die Oxidationsgas-Versorgungsvorrichtung 130, um die Spannung der Brennstoffzelle 110 zu steuern.
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2 ist ein Diagramm, welches eine IV-Kennlinie Lc und Betriebspunkte der Brennstoffzelle 110 zeigt. Die Steuerungsvorrichtung 180 berechnet einen erforderlichen Ausgang P gemäß dem Gaspedal-Betätigungsbetrag des Fahrers, welcher durch den Gaspedalpositionsdetektor 190 erfasst wird, und der Fahrzeuggeschwindigkeit des Brennstoffzellenfahrzeugs 10, welche durch den Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 139 erfasst wird. 2 zeigt eine Kurve Lp eines gleichen Ausgangs des berechneten erforderlichen Ausgangs P. Die Steuerungsvorrichtung 180 stellt die Spannung und den Stromwert der Brennstoffzelle 110 gemäß dem berechneten erforderlichen Ausgang P in dem herkömmlichen Leistungserzeugungszustand der Brennstoffzelle 110 basierend auf der IV-Kennlinie Lc der hohen Effizienz in der Brennstoffzelle 110 ein.
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Gemäß dieser Ausführungsform stellt die Steuerungsvorrichtung 180 in dem herkömmlichen Leistungserzeugungszustand die Spannung und den Stromwert derart ein, dass das Produkt der Spannung und des Stromwerts den erforderlichen Ausgang P erreicht, und der Betriebspunkt der Brennstoffzelle 110 einem Betriebspunkt auf der I-V-Kennlinie entspricht. Die Steuerungsvorrichtung 180 stellt den Betriebspunkt der Brennstoffzelle 110 insbesondere auf einen Betriebspunkt p0 (Spannung V0, Stromwert 10) bei einem Schnittpunkt der Kurve Lp eines gleichen Ausgangs und der I-V-Kennlinie Lc ein. Wenn zwei oder mehr Schnittpunkte vorliegen, stellt die Steuerungsvorrichtung 180 den Betriebspunkt der Brennstoffzelle 110 auf den Betriebspunkt p0 (Spannung V0, Stromwert 10) bei einem Schnittpunkt der größeren bzw. höheren Spannung ein. Die Steuerungsvorrichtung 180 steuert die Oxidationsgas-Versorgungsvorrichtung 130, um den Betrag eines Reaktionsgases zu regulieren, welches hin zu der Brennstoffzelle 110 geführt werden soll, und diese passt dadurch die Spannung der Brennstoffzelle 110 auf die Spannung V0 des eingestellten Betriebspunkts P0 an. Die Steuerungsvorrichtung 180 steuert außerdem den Brennstoffzellen-Steuerungswandler 131, um den Stromwert der Brennstoffzelle 110 auf den Stromwert 10 des eingestellten Betriebspunkts p0 anzupassen. In dem herkömmlichen Leistungserzeugungszustand stellt das Einstellen der Spannung und des Stromwerts der Brennstoffzelle 110 auf diese Art und Weise eine effiziente Leistungserzeugung sicher. Der herkömmliche Leistungserzeugungszustand ist ebenso als erster Leistungserzeugungszustand oder Hocheffizienz-Leistungserzeugungszustand bezeichnet.
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Wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 110, welche durch den Temperatursensor 112 erfasst wird, niedriger oder gleich einer vorbestimmten Temperatur (beispielsweise 0 °C) ist, stellt die Steuerungsvorrichtung 180 den Leistungserzeugungszustand der Brennstoffzelle 110 auf einen Niedrigeffizienz-Leistungserzeugungszustand ein, um die Brennstoffzelle 110 aufzuwärmen. Die Steuerungsvorrichtung 180 ermittelt insbesondere zusammen mit dem erforderlichen Ausgang P einen Wärmebetrag, welcher erforderlich ist, um die Temperatur der Brennstoffzelle 110 auf eine für die Leistungserzeugung geeignete Temperatur (beispielsweise 70 bis 90 °C) zu erhöhen (erforderlicher Wärmebetrag Q). 2 zeigt eine Kurve Lq eines gleichen Wärmebetrags des erforderlichen Wärmebetrags Q. Die Steuerungsvorrichtung 180 stellt die Spannung und den Stromwert der Brennstoffzelle 110 gemäß dem erforderlichen Ausgang P und dem erforderlichen Wärmebetrag Q auf eine Spannung und einen Stromwert ein, welche eine niedrigere Leistungserzeugungseffizienz vorsehen als die Leistungserzeugungseffizienz in dem herkömmlichen Leistungserzeugungszustand.
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Gemäß dieser Ausführungsform stellt die Steuerungsvorrichtung 180 in dem Niedrigeffizienz-Leistungserzeugungszustand die Spannung und den Stromwert derart ein, dass das Produkt der Spannung und des Stromwerts den erforderlichen Ausgang P erreicht, und dass das Produkt einer Spannungsdifferenz (= OCV - V) von einer Leerlaufspannung (OCV) der Brennstoffzelle 110 und dem aktuellen Wert den erforderlichen Wärmebetrag Q erreicht. Mit anderen Worten, die Steuerungsvorrichtung 180 stellt den Betriebspunkt der Brennstoffzelle 110 in dem Niedrigeffizienz-Leistungserzeugungszustand auf einen Betriebspunkt p1 (Spannung V1, Stromwert I1) bei einem Schnittpunkt der Kurve Lp eines gleichen Ausgangs und der Kurve Lq eines gleichen Wärmebetrags ein. Das Einstellen des Betriebspunkts der Brennstoffzelle 110 auf diesen Betriebspunkt p1 bewirkt, dass der Betriebspunkt der Brennstoffzelle 110 von der I-V-Kennlinie Lc abweicht, und dieses sieht eine niedrige Spannung und einen hohen Stromwert vor. Dies erhöht den Leistungserzeugungsverlust und den Abwärmebetrag basierend auf der Charakteristik der Brennstoffzelle 110. Die Steuerungsvorrichtung 180 kann auf diese Art und Weise die Temperatur der Brennstoffzelle 110 schnell erhöhen, um die Brennstoffzelle 110 aufzuwärmen. Der Niedrigeffizienz-Leistungserzeugungszustand ist ebenso als zweiter Leistungserzeugungszustand oder schneller Aufwärmzustand bezeichnet.
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Wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 110 auf eine geeignete Temperatur in dem Niedrigeffizienz-Leistungserzeugungszustand der Brennstoffzelle 110 zunimmt, verändert bzw. wechselt die Steuerungsvorrichtung 180 den Leistungserzeugungszustand ausgehend von dem Niedrigeffizienz-Leistungserzeugungszustand hin zu dem herkömmlichen Leistungserzeugungszustand. Gemäß dieser Ausführungsform reduziert die Steuerungsvorrichtung 180 den erforderlichen Wärmebetrag bei dem Vorgang zum Wechseln des Leistungserzeugungszustands ausgehend von dem Niedrigeffizienz-Leistungserzeugungszustand hin zu dem herkömmlichen Leistungserzeugungszustand. Die Steuerungsvorrichtung 180 reduziert bei dem Vorgang zum Wechseln des Leistungserzeugungszustands ausgehend von dem Niedrigeffizienz-Leistungserzeugungszustand hin zu dem herkömmlichen Leistungserzeugungszustand insbesondere eine Abnahme des erforderlichen Wärmebetrags pro Zeiteinheit, wenn der erforderliche Ausgang größer oder gleich einem Referenzwert ist, im Vergleich zu einer Abnahme, wenn der erforderliche Ausgang kleiner als der Referenzwert ist. In der nachfolgenden Beschreibung ist der Vorgang zum Wechseln des Leistungserzeugungszustands ausgehend von dem Niedrigeffizienz-Leistungserzeugungszustand hin zu dem herkömmlichen Leistungserzeugungszustand als Leistungserzeugungszustands-Wechselvorgang bezeichnet.
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3 ist ein Flussdiagramm, welches den Leistungserzeugungszustands-Wechselvorgang zeigt, welche durch die Steuerungsvorrichtung 180 durchgeführt wird. Dieser Leistungserzeugungszustands-Wechselvorgang wird durch eine Erfassung dahingehend ausgelöst, dass die Temperatur der Brennstoffzelle 110 auf die geeignete Temperatur in dem Niedrigeffizienz-Leistungserzeugungszustand der Brennstoffzelle 110 zunimmt.
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Beim Start des Leistungserzeugungszustands-Wechselvorgangs ermittelt die Steuerungsvorrichtung 180 zunächst, ob der erforderliche Ausgang höher bzw. größer oder gleich einem Referenzwert ist (Schritt S10). Gemäß der Ausführungsform wird dieser Referenzwert basierend auf einem erforderlichen Ausgang ermittelt, wenn das Brennstoffzellenfahrzeug 10 gestoppt ist, oder basierend auf einem niedrigen Ausgang, um zu verhindern, dass der Fahrer und die Passagiere des Brennstoffzellenfahrzeugs 10 eine durch die Veränderung bzw. den Wechsel des Leistungserzeugungszustands hervorgerufene Ausgangsvariation bemerken, falls anwendbar. Der Referenzwert kann im Vorhinein durch ein Experiment ermittelt werden.
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Wenn bei Schritt S10 ermittelt wird, dass der erforderliche Ausgang niedriger als der Referenzwert ist (Schritt S10: Nein), führt die Steuerungsvorrichtung 180 einen schnellen Wechselvorgang durch (Schritt S20). Wenn bei Schritt S10 ermittelt wird, dass der erforderliche Ausgang größer oder gleich dem Referenzwert ist (Schritt S10: Ja), führt die Steuerungsvorrichtung 180 andererseits einen Konstant-Ausgang-Wechselvorgang durch (Schritt S30).
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4A ist ein Zeitdiagramm des schnellen Wechselvorgangs. 4B ist ein Zeitdiagramm des Konstant-Ausgang-Wechselvorgangs. 5 ist ein Diagramm, welches Verschiebungen des Betriebspunkts bei dem schnellen Wechselvorgang und bei dem Konstant-Ausgang-Wechselvorgang darstellt.
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Wie in
4A gezeigt ist, startet die Steuerungsvorrichtung 180 bei dem schnellen Wechselvorgang zu einer Zeit t0, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 110 auf die geeignete Temperatur zunimmt und eine Anforderung für eine Niedrigeffizienz-Leistungserzeugung aufgehoben wird, schnell ein Verringern des erforderlichen Wärmebetrages auf null. Die Steuerungsvorrichtung 180 erhöht außerdem eine an den Brennstoffzellen-Steuerungswandler 131 adressierte erforderliche Spannung allmählich auf eine Zielspannung. Es ist wahrscheinlich, dass ein plötzliches Erhöhen der erforderlichen Spannung bewirkt, dass gemäß den Eigenschaften des Brennstoffzellen-Steuerungswandlers 131 ein übermäßiger Strom in dem Brennstoffzellen-Steuerungswandler 131 fließt. Die Steuerungsvorrichtung 180 verringert andererseits den erforderlichen Stromwert schnell. Das Phänomen, welches bewirkt, dass ein übermäßiger Strom in einem DC-DC-Wandler, wie dem Brennstoffzellen-Steuerungswandler 131, fließt, ist beispielsweise in der
JP 2009-158162 A (Anmelder: Toyota Motor Corporation) beschrieben. Eine Erhöhung der Spannung pro Zeiteinheit wird im Vorhinein basierend auf einer Erhöhung ermittelt, welche nicht bewirkt, dass ein übermäßiger Strom in dem Brennstoffzellen-Steuerungswandler 131 fließt. Wenn die Spannung zu einer Zeit t1 die Zielspannung erreicht, ist die Veränderung bzw. der Wechsel des Leistungserzeugungszustands abgeschlossen.
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Bei dem schnellen Wechselvorgang gemäß dem Zeitdiagramm von 4A verschiebt sich der Betriebspunkt der Brennstoffzelle 110 ausgehend von dem Betriebspunkt p1 in dem Niedrigeffizienz-Leistungserzeugungszustand über einen Betriebspunkt p3 hin zu dem Betriebspunkt p0 in dem herkömmlichen bzw. normalen Leistungserzeugungszustand, wie in 5 gezeigt ist. Der Betriebspunkt p3 sieht den gleichen Stromwert vor wie dieser bei dem Ziel-Betriebspunkt p0 in dem herkömmlichen Leistungserzeugungszustand, dieser sieht jedoch lediglich eine geringfügige Zunahme der Spannung ausgehend von der Spannung des Betriebspunkts p1 vor, um den Brennstoffzellen-Steuerungswandler 131 zu schützen. Mit anderen Worten, der schnelle Wechselvorgang besitzt eine niedrigere Veränderungsrate der Spannung im Vergleich zu einer Veränderungsrate bei dem Stromwert pro Zeiteinheit. Bei dem schnellen Wechselvorgang wird die Spannung allmählich erhöht, nachdem der Betriebspunkt hin zu dem Betriebspunkt p3 verschoben ist. Schließlich wird der Betriebspunkt hin zu dem Betriebspunkt p0 auf der I-V-Kennlinie Lc verschoben, so dass der Leistungserzeugungszustand hin zu dem herkömmlichen Leistungserzeugungszustand gewechselt wird.
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Bei dem schnellen Wechselvorgang verändert das Verschieben des Betriebspunkts ausgehend von p1 zu p3 und anschließend hin zu p0 die Strom-Spannungs-Beziehung von dem Niedrigspannungs- und Hochstrom-Zustand (Betriebspunkt p1) hin zu dem Niedrigspannungs- und Niedrigstrom-Zustand (Betriebspunkt p3), und schließlich hin zu dem Hochspannung- und Niedrigstrom-Zustand (Betriebspunkt p0). Dies verringert temporär den Ausgang der Brennstoffzelle 110 um den Betriebspunkt p3 des Niedrigspannungs- und Niedrigstrom-Zustands, wie in 4A gezeigt ist. Gemäß dieser Ausführungsform wird dieser schnelle Wechselvorgang jedoch durchgeführt, wenn der erforderliche Ausgang niedriger als der Referenzwert ist, wie vorstehend beschrieben, das heißt, wenn der erforderliche Ausgang einem Ausgang entspricht, wenn das Brennstoffzellenfahrzeug 10 gestoppt ist, oder einem niedlichen Ausgang entspricht, so dass nicht hervorgerufen bzw. verhindert wird, dass der Fahrer und die Passagiere des Brennstoffzellenfahrzeugs 10 eine Ausgangsvariation wahrnehmen, falls anwendbar. Auch wenn der Ausgang mit einem Wechsel des Leistungserzeugungszustands temporär verringert ist, verschlechtert dies die Fahrbarkeit des Brennstoffzellenfahrzeugs 10 nicht.
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Wie in 4B gezeigt ist, verringert die Steuerungsvorrichtung 180 bei dem Konstant-Ausgang-Wechselvorgang nach einer Zeit t0, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 110 auf die geeignete Temperatur zunimmt und eine Anforderung für eine Niedrigeffizienz-Leistungserzeugung gelöscht bzw. aufgehoben ist, den erforderlichen Wärmebetrag allmählich. Mit anderen Worten, die Steuerungsvorrichtung 180 stellt bei dem Konstant-Ausgang-Wechselvorgang eine kleinere Abnahme des erforderlichen Wärmebetrags pro Zeiteinheit ein als die Abnahme bei dem schnellen Wechselvorgang. Die Steuerungsvorrichtung 180 erhöht allmählich die erforderliche Spannung und diese verringert gleichzeitig allmählich den erforderlichen Stromwert, während der erforderliche Wärmebetrag allmählich verringert wird. Wenn der erforderliche Wärmebetrag zu einer Zeit t2 auf oder unterhalb eines vorbestimmten Schwellenwerts verringert ist, stoppt die Steuerungsvorrichtung 180 die Leistungserzeugungsteuerung unter Verwendung des erforderlichen Wärmebetrages, um den Wechsel des Leistungserzeugungszustands abzuschließen. Der Schwellenwert entspricht einem Wert, welcher den Ausgang durch den Wechsel des Leistungserzeugungszustands nicht wesentlich beeinflusst, wie ein Wert von 1/10 des erforderlichen Wärmebetrags zu der Zeit t0. Der Schwellenwert kann im Vorhinein durch ein Experiment ermittelt werden.
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Bei dem Konstant-Ausgang-Wechselvorgang gemäß dem Zeitdiagramm von 4B ist der Betriebspunkt der Brennstoffzelle 110 gleichmäßig auf der Kurve Lp eines gleichen Ausgangs ausgehend von dem Betriebspunkt pl in dem Niedrigeffizienz-Leistungserzeugungszustand hin zu dem Betriebspunkt p0 in dem herkömmlichen Leistungserzeugungszustand veränderbar, während der erforderliche Wärmebetrag allmählich abnimmt, wie in 5 gezeigt ist. Dies verändert bzw. wechselt den Leistungserzeugungszustand, während der Ausgang konstant gehalten wird und plötzliche Zunahmen der Spannung und des elektrischen Stroms unterdrückt werden.
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Das Brennstoffzellensystem 100 der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wählt gemäß dem erforderlichen Ausgang entweder den schnellen Wechselvorgang oder den Konstant-Ausgang-Wechselvorgang aus, wenn der Leistungserzeugungszustand ausgehend von dem Niedrigeffizienz-Leistungserzeugungszustand hin zu dem herkömmlichen Leistungserzeugungszustand gewechselt wird. Wenn der erforderliche Ausgang niedriger bzw. kleiner als der Referenzwert ist, wird der schnelle Wechselvorgang durchgeführt. Dies verändert den Leistungserzeugungszustand beispielsweise bei dem gestoppten Fahrzeug schnell hin zu dem herkömmlichen Leistungserzeugungszustand. Dies kann die Leistungserzeugungseffizienz unmittelbar verbessern und das Kraftstoffverbrauchsverhalten verbessern. Wenn der erforderliche Ausgang größer oder gleich dem Referenzwert ist, wird andererseits der Konstant-Ausgang-Wechselvorgang durchgeführt, um die Abnahme des erforderlichen Wärmebetrags pro Zeiteinheit zu reduzieren. Der Konstant-Ausgang-Wechselvorgang erfordert die längere Zeitphase zum Wechseln des Leistungserzeugungszustands im Vergleich zu dem schnellen Wechselvorgang, dieser unterdrückt jedoch plötzliche Veränderungen der Spannung und des Stromwerts und unterdrückt außerdem eine temporäre Abnahme des Ausgangs der Brennstoffzelle 110. Dies bewirkt, dass ein Auftreten eines Drehmomentstoßes in dem Brennstoffzellenfahrzeug 10 mit dem Wechsel des Leistungserzeugungszustands unterdrückt wird, und unterdrückt daher eine Verschlechterung der Fahrbarkeit.
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B. Modifikationen
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<Modifikation 1>
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6 ist ein Zeitdiagramm, welches eine Modifikation des Konstant-Ausgang-Wechselvorgangs zeigt. Bei dieser Modifikation erhöht die Steuerungsvorrichtung 180 die Abnahme des erforderlichen Wärmebetrags pro Zeiteinheit mit einer Zunahme der Spannung bei dem Konstant-Ausgang-Wechselvorgang. Das Steuern der Abnahme des erforderlichen Wärmebetrags pro Zeiteinheit auf diese Art und Weise ermöglicht es, dass der Betriebspunkt ohne weiteres entlang der Kurve Lp eines gleichen Ausgangs verschoben wird (wie in 5 gezeigt ist). Wenn der erforderliche Ausgang größer oder gleich dem Referenzwert ist, ermöglicht diese Modifikation, dass der Leistungserzeugungszustand in einer kurzen Zeitphase ausgehend von dem Niedrigeffizienz-Leistungserzeugungszustand hin zu dem herkömmlichen Leistungserzeugungszustand gewechselt wird, während eine temporäre Abnahme des Ausgangs der Brennstoffzelle 110 unterdrückt wird.
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<Modifikation 2>
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Gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform vergleicht die Steuerungsvorrichtung 180 den erforderlichen Ausgang mit dem Referenzwert, um entweder den schnellen Wechselvorgang oder den Konstant-Ausgang-Wechselvorgang bei dem Leistungserzeugungs-Wechselvorgang auszuwählen. Gemäß einer Modifikation kann die Steuerungsvorrichtung 180 den schnellen Wechselvorgang ungeachtet des erforderlichen Ausgangs durchführen, wenn das Brennstoffzellenfahrzeug 10 gestoppt ist. Dies liegt daran, da eine vorübergehende Abnahme des Ausgangs die Fahrbarkeit nicht verschlechtert, wenn das Brennstoffzellenfahrzeug 10 gestoppt ist.
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<Modifikation 3>
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Gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform vergleicht die Steuerungsvorrichtung 180 den erforderlichen Ausgang mit dem Referenzwert, um entweder den schnellen Wechselvorgang oder den Konstant-Ausgang-Wechselvorgang bei dem Leistungserzeugungs-Wechselvorgang auszuwählen. Gemäß einer Modifikation kann die Steuerungsvorrichtung 180 den Konstant-Ausgang-Wechselvorgang ungeachtet des erforderlichen Ausgangs bei dem Leistungserzeugungs-Wechselvorgang durchführen. Dies unterdrückt eine temporäre Abnahme des Ausgangs mit dem Wechsel des Leistungserzeugungszustands ungeachtet der Betriebsbedingung des Brennstoffzellenfahrzeugs 10.
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<Modifikation 4>
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Gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ermittelt die Steuerungsvorrichtung 180 basierend auf der Temperatur der Brennstoffzelle 110, ob der Leistungserzeugungszustand verändert werden soll. Gemäß einer Modifikation kann die Steuerungsvorrichtung 180 beispielsweise basierend auf der Umgebungstemperatur oder der Temperatur des Hilfsmaschinenaufbaus 150 ermitteln, ob der Leistungserzeugungszustand zu verändern ist.
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<Modifikation 5>
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Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform kann der erforderliche Wärmebetrag zum Aufwärmen der Brennstoffzelle 110 einem vorbestimmten, festgelegten Wert entsprechend, oder dieser kann basierend auf einer Differenz zwischen der durch den Temperatursensor 112 erfassten Temperatur und der geeigneten Temperatur der Brennstoffzelle 110 dynamisch berechnet werden. Ein Wärmebetrag, welcher zum Aufwärmen des Brennstoffzellenfahrzeugs 10 erforderlich ist, kann zu dem erforderlichen Wärmebetrag addiert werden.
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<Modifikation 6>
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Gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform steuert die Steuerungsvorrichtung 180 den Betriebspunkt der Spannung und des Stromwerts der Brennstoffzelle 110 in dem herkömmlichen Leistungserzeugungszustand auf den Betriebspunkt auf der I-V-Kennlinie Lc. Gemäß einer Modifikation kann die Steuerungsvorrichtung 180 den gesteuerten Betriebspunkt nicht strikt auf den Betriebspunkt auf der I-V-Kennlinie Lc begrenzen, sondern diese kann den Betriebspunkt in einem Bereich steuern, welcher von der I-V-Kennlinie Lc nicht wesentlich abweicht.
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<Modifikation 7>
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Die Konfiguration der vorstehenden Ausführungsform verwendet die Oxidationsgas-Versorgungsvorrichtung 130, um die Spannung der Brennstoffzelle 110 zu regulieren, und diese verwendet den Brennstoffzellen-Steuerungswandler 131, um den elektrischen Strom der Brennstoffzelle 110 zu regulieren. Dieser Konfiguration ist jedoch nicht notwendig. Eine modifizierte Konfiguration kann die Oxidationsgas-Versorgungsvorrichtung 130 verwenden, um den elektrischen Strom zu regulieren, und den Brennstoffzellen-Steuerungswandler 131 verwenden, um die Spannung zu regulieren.
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<Modifikation 8>
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Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist das Brennstoffzellensystem 100 auf dem Brennstoffzellenfahrzeug 10 montiert. Das Brennstoffzellensystem 100 kann jedoch auf einem anderen sich bewegenden Körper, wie einem Flugzeug oder einem Boot oder einem Schiff montiert sein. Das Brennstoffzellensystem 100 kann außerdem in einem Gebäude oder an Land als eine Leistungsquelle für Haushaltszwecke oder für Geschäftszwecke eingebaut sein.
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Die Erfindung ist nicht auf irgendeine Gestaltung der vorstehend beschriebenen Ausführungsform und der Modifikationen beschränkt, sondern diese kann durch eine Vielfalt von anderen Konfigurationen implementiert sein, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können die technischen Merkmale von irgendeiner Gestaltung der Ausführungsform und der Modifikationen gemäß den technischen Merkmalen von jedem der Aspekte, wie in der Kurzfassung beschrieben, geeignet ersetzt oder kombiniert werden, um einen Teil oder die Gesamtheit der vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen oder um einen Teil oder die Gesamtheit der vorstehend beschriebenen vorteilhaften Effekte zu erreichen. Es kann auf jedes der technischen Merkmale geeignet verzichtet werden, solange das technische Merkmal hierin nicht als notwendig beschrieben ist.
