DE102016110560B4

DE102016110560B4 - Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102016110560B4
Application number: DE102016110560.0A
Authority: DE
Inventors: Yoshiaki Naganuma; Tomohiro Ogawa
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-06-26
Filing date: 2016-06-08
Publication date: 2019-03-14
Anticipated expiration: 2036-06-09
Also published as: CN106299405A; JP2017010902A; KR101803650B1; CN106299405B; US10340542B2; DE102016110560A1; JP6183416B2; KR20170001606A; US20160380295A1

Abstract

Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem (10), wobei das Brennstoffzellensystem (10) aufweist:eine Brennstoffzelle (100), ausgestaltet durch Stapeln einer Mehrzahl von Zellen (110);einen Zellenmonitor (800) ausgestaltet zum Messen der Spannung der einzelnen Zellen (110) als Zellspannung;eine Temperaturmesseinheit (420) ausgestaltet zum Messen der Temperatur eines Kühlmediums, das zum Abkühlen der Brennstoffzelle (100) verwendet wird; undein Steuergerät (900) ausgestaltet zum Bereitstellen einer Leistungsgrenze der Brennstoffzelle (100) in Reaktion auf einen Abfall der Zellspannung und Bestimmen eines Leistungsgrenzbetrags für die Leistungsgrenze entsprechend der durch die Temperaturmesseinheit (420) gemessenen Temperatur des Kühlmediums, wobeidas Steuergerät (900), wenn die aus einer Endabschnittszelle der Brennstoffzelle (100) gewonnene Zellspannung gleich oder kleiner als ein erster Schwellenwert ist und die aus sämtlichen Zellen (110) der Brennstoffzelle (100) gewonnene Zellspannung gleich oder kleiner als ein zweiter Schwellenwert ist, zur Verwendung für die Leistungsgrenze der Brennstoffzelle (100), aus einem Leistungsgrenzbetrag, der einer korrigierten Temperatur entspricht, die auf einen Wert kleiner als die durch die Temperaturmesseinheit (420) gemessene Temperatur des Kühlmediums korrigiert wurde, und einem Leistungsgrenzbetrag, welcher der durch die Temperaturmesseinheit (420) gemessenen Temperatur des Kühlmediums entspricht, einen größeren Leistungsgrenzbetrag auswählt.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung beansprucht Priorität an der am 26. Juni 2015 eingereichten japanischen Patentanmeldung JP 2017-010902 A .
HINTERGRUND
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem.
Eine Brennstoffzelle weist eine Stapelstruktur mit einer Mehrzahl von gestapelten Energieerzeugungselementen als Basiseinheiten der Energiezeugung (nachfolgend auch als „Zellen“ bezeichnet) auf. Ein Brennstoffzellensystem, das so ausgestaltet ist, dass es eine solche Brennstoffzelle umfasst, ist allgemein bekannt. JP 2011-034837A beschreibt ein Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems in einer Unternull-Umgebung.
Bei einem Start des Brennstoffzellensystems, wie des in JP 2011-034837A beschriebenen Brennstoffzellensystems, stellt das Brennstoffzellensystem im Falle der Erkennung eines Spannungsabfalls der Brennstoffzelle eine Leistungsgrenze der Brennstoffzelle bereit, um eine Schädigung der Zellen der Brennstoffzelle zu verhindern. Speziell stellt das Brennstoffzellensystem eine Obergrenze des für die Brennstoffzelle erforderlichen elektrischen Stroms bereit.
Die Wahrscheinlichkeit einer Schädigung der Zelle durch einen Abfall der Spannung ist bei höherer Temperatur der Zelle größer. Bei einem Anstieg der Temperatur der Brennstoffzelle erhöht das Brennstoffzellensystem dementsprechend den Betrag der Leistungsbegrenzung. Die Temperatur eines zum Abkühlen der Brennstoffzelle verwendeten Kühlmediums dient als indikativer Wert für die Temperatur der Brennstoffzelle. Die Temperatur des Kühlmediums lässt sich problemlos gewinnen, indem die Temperatur des aus der Brennstoffzelle ausgetragenen Kühlmediums mit einem Temperatursensor gemessen wird. Im Falle der Erkennung einer Abnahme der Spannung der Brennstoffzelle kann das Brennstoffzellensystem eine Leistungsgrenze der Brennstoffzelle in der Größenordnung eines Leistungsgrenzbetrags entsprechend der Temperatur des Kühlmediums bereitstellen.
Aus der JP 2008-130444 A ist ein weiteres Verfahren zur Steuerung eines Brennstoffzellensystems bekannt.
In der mit der Mehrzahl von Zellen versehenen Brennstoffzelle sind die Temperaturen der jeweiligen Zellen der Brennstoffzelle nicht gleichförmig. Endabschnittszellen, die in einem Endabschnitt der Stapelstruktur gelegen sind, neigen beispielsweise zu einer höheren Wärmeabgabe und einem schlechteren Temperaturanstiegsverhalten als Mittelabschnittszellen, die in einem mittleren Abschnitt der Stapelstruktur gelegen sind, und weisen somit eine niedrigere Temperatur auf. Die Temperatur des Kühlmediums ist jedoch der indikative Wert für die Temperatur der gesamten Brennstoffzelle. Die Leistungsgrenze der Brennstoffzelle unter Verwendung des Leistungsgrenzbetrags entsprechend der Temperatur des Kühlmediums führt dementsprechend dazu, dass eine überhöhte Leistungsgrenze bereitgestellt wird, insbesondere für die Endabschnittszellen der Brennstoffzelle. Die überhöhte Leistungsbegrenzung neigt dazu, die von den jeweiligen Zellen der Brennstoffzelle erzeugte Wärmemenge zu reduzieren und das Anlaufverhalten (Startverhalten) der Brennstoffzelle zu verschlechtern.
Dementsprechend besteht ein Bedarf an einem Brennstoffzellensystem, das problemlos eine Leistungsgrenze einer Brennstoffzelle anhand der Temperatur eines Kühlmediums bereitstellt und dabei gleichzeitig das Startverhalten der Brennstoffzelle verbessert.
KURZFASSUNG
Um die obigen Probleme wenigstens teilweise zu lösen, kann die Erfindung durch einen beliebigen der folgenden Aspekte realisiert werden.
(1) Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen. Das Brennstoffzellensystem umfasst eine Brennstoffzelle, ausgestaltet durch Stapeln einer Mehrzahl von Zellen; einen Zellenmonitor zum Messen der Spannung der einzelnen Zellen als Zellspannung; eine Temperaturmesseinheit ausgestaltet zum Messen der Temperatur eines Kühlmediums, das zum Abkühlen der Brennstoffzelle verwendet wird; und ein Steuergerät ausgestaltet zum Bereitstellen einer Leistungsgrenze der Brennstoffzelle in Reaktion auf einen Abfall der Zellspannung und Bestimmen eines Leistungsgrenzbetrags für die Leistungsgrenze entsprechend der durch die Temperaturmesseinheit gemessenen Temperatur des Kühlmediums. Wenn die aus einer Endabschnittszelle der Brennstoffzelle erhaltene Zellspannung gleich oder kleiner als ein erster Schwellenwert ist und die aus sämtlichen Zellen der Brennstoffzelle erhaltene Zellspannung gleich oder kleiner als ein zweiter Schwellenwert ist, wählt das Steuergerät aus einem Leistungsgrenzbetrag, der einer korrigierten Temperatur entspricht, die auf einen Wert kleiner als die durch die Temperaturmesseinheit gemessene Temperatur des Kühlmediums korrigiert wurde, und dem Leistungsgrenzbetrag, welcher der durch die Temperaturmesseinheit gemessenen Temperatur des Kühlmediums entspricht, einen größeren Leistungsgrenzbetrag zur Verwendung als Leistungsgrenze der Brennstoffzelle aus.
Im Brennstoffzellensystem dieses Aspekts stellt das Steuergerät die Leistungsgrenze der Brennstoffzelle so bereit, dass es aus dem Leistungsgrenzbetrag, welcher der korrigierten Temperatur, d. h. der Temperatur der Endabschnittszellen der Brennstoffzelle entspricht, und dem Leistungsgrenzbetrag, welcher der Temperatur des Kühlmediums, d. h. der Temperatur der Brennstoffzelle entspricht, den größeren Leistungsgrenzbetrag auswählt. Infolgedessen stellt diese Ausgestaltung die Leistungsgrenze der Brennstoffzelle anhand der Temperatur des Kühlmediums unter Verbesserung des Startverhaltens der Brennstoffzelle sowie unter Verstärkung der schädigungsverhindernden Wirkung auf die Zellen problemlos bereit.
(2) Im Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem des obigen Aspekts kann der erste Schwellenwert ein Wert sein, der entsprechend der korrigierten Temperatur bestimmt wird, und der zweite Schwellenwert kann ein Wert sein, der entsprechend der durch die Temperaturmesseinheit gemessenen Temperatur des Kühlmediums bestimmt wird.
Im Brennstoffzellensystem dieses Aspekts dient der erste Schwellenwert zur Erfassung eines Abfalls der Zellspannung in den Endabschnittszellen der Brennstoffzelle entsprechend der korrigierten Temperatur, d. h. der Temperatur der Endabschnittszellen der Brennstoffzelle. Der zweite Schwellenwert dient zur Erfassung eines Abfalls der Zellspannung in sämtlichen Zellen der Brennstoffzelle entsprechend der Temperatur des Kühlmediums, d. h. der Temperatur der Brennstoffzelle. Das Brennstoffzellensystem dieses Aspekts kann somit die Schwellenwerte, die zur Erfassung eines Abfalls der Zellspannung verwendet werden, mit hoher Genauigkeit bestimmen.
Die Erfindung kann neben den oben beschriebenen Aspekten des Brennstoffzellensystems durch verschiedene andere Aspekte realisiert werden, beispielsweise durch eine Vorrichtung zur Steuerung des Brennstoffzellensystems, ein Verfahren zur Steuerung des Brennstoffzellensystems, eine Vorrichtung zur Steuerung einer Brennstoffzelle, ein Verfahren zur Steuerung einer Brennstoffzelle, ein zur Realisierung dieser Steuerverfahren ausgelegtes Computerprogramm und ein nichtflüchtiges Speichermedium, auf dem das Computerprogramm abgespeichert ist. Ein Ziel des Brennstoffzellensystems nach einem Aspekt der Erfindung besteht darin, die Leistungsgrenze der Brennstoffzelle anhand der Temperatur des Kühlmediums bereitzustellen und dabei das Startverhalten der Brennstoffzelle zu verbessern. Andere Anforderungen umfassen die Verbesserung verschiedener Leistungsparameter des Brennstoffzellensystems, Verbesserung der Gebrauchseignung sowie Vereinfachung und Vereinheitlichung des Verfahrens zur Steuerung des Brennstoffzellensystems.
Figurenliste

1 ist eine Darstellung zur schematischen Veranschaulichung der Ausgestaltung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 ist eine Darstellung eines Beispiels eines Leistungsbegrenzungskennfeldes;
3 ist ein Flussdiagramm zur Darstellung eines Verfahrens zum Bestimmen des Leistungsgrenzbetrags;
4 ist eine Darstellung eines Verfahrens zur Schätzung einer Endabschnittstemperatur;
5 ist eine Darstellung einer Abwandlung des Verfahrens zur Schätzung der Endabschnittstemperatur;
6 ist eine Darstellung zur schematischen Veranschaulichung der Ausgestaltung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; und
7 ist ein Flussdiagramm zur Darstellung eines Verfahrens zum Bestimmen des Leistungsgrenzbetrags nach der zweiten Ausführungsform.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Erste Ausführungsform
Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems
1 ist eine Darstellung zur schematischen Veranschaulichung der Ausgestaltung eines Brennstoffzellensystems 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 10 ist beispielsweise an einem elektrischen Fahrzeug montiert und wird als Anlage zur Bereitstellung einer Antriebsenergiequelle verwendet. Im Falle der Erkennung eines Abfalls der Zellspannung in Endabschnittszellen einer Brennstoffzelle kann das Brennstoffzellensystem 10 der Ausführungsform eine Leistungsgrenze der Brennstoffzelle mit einem Leistungsgrenzbetrag bereitstellen, der kleiner ist als ein Leistungsgrenzbetrag, welcher der Temperatur eines Kühlmediums entspricht.
Die „Leistungsgrenze der Brennstoffzelle“ bedeutet hier, dass das Brennstoffzellensystem 10 eine Obergrenze des für die Brennstoffzelle erforderlichen elektrischen Stroms bereitstellt. Der „Leistungsgrenzbetrag“ bedeutet die Größenordnung der vom Brennstoffzellensystem 10 bereitgestellten Leistungsgrenze der Brennstoffzelle. Der höhere Leistungsgrenzbetrag führt zur niedrigeren Obergrenze des vom Brennstoffzellensystem 10 für die Brennstoffzelle geforderten elektrischen Stroms, während der kleinere Leistungsgrenzbetrag zur höheren Obergrenze des vom Brennstoffzellensystem 10 für die Brennstoffzelle geforderten elektrischen Stroms bewirkt. Die „Endabschnittszellen“ umfassen aus einer Mehrzahl von zur Ausbildung einer Stapelstruktur gestapelten Zellen mindestens Endzellen, die sich an den in Stapelrichtung äußeren Positionen befinden, und können darüber hinaus eine oder mehrere an die Endzellen angrenzende Nachbarzellen umfassen. Die „mehreren Zellen“ können beispielsweise zwei oder drei bis fünf oder sechs Zellen sein oder können Zellen umfassen, die sich in Stapelrichtung ausgehend von der Endzelle, die sich an der in Stapelrichtung äußeren Position befindet, in einem Bereich von einem Zwanzigstel der Gesamtlänge sämtlicher Zellen befinden.
Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst eine Brennstoffzelle 100, ein Brenngaszuführungssystem 200, ein Oxidationsgaszuführungssystem 300, ein Brennstoffzellenkühlsystem 400, eine Lastvorrichtung 500, einen Energieversorgungsumschalter 600, eine Batterie 700, einen Zellenmonitor 800 und ein Systemsteuergerät 900.
Die Brennstoffzelle 100 weist eine Stapelstruktur durch Stapelung einer Mehrzahl von Brennstoffzellen 110 (nachfolgend auch vereinfacht als „Zellen 110“ bezeichnet) auf. Jede Zelle 110 umfasst eine Elektrolytmembran, eine anodenseitige Katalysatorelektrodenschicht (nachfolgend auch vereinfacht als „Anode“ bezeichnet), die auf einer Oberfläche der Elektrolytmembran angeordnet ist, und eine kathodenseitige Katalysatorelektrodenschicht (nachfolgend auch vereinfacht als „Kathode“ bezeichnet), die auf der anderen Oberfläche der Elektrolytmembran angeordnet ist. Die Ausführungsform nutzt als Elektrolytmembran eine Festpolymer-Elektolytmembran. Die Ausführungsform nutzt auch Kohlenstoffpartikel mit aufliegendem Platin (Pt) und einen elektrolythaltigen Katalysator als die anodenseitige Katalysatorelektrodenschicht und die kathodenseitige Katalysatorschicht. Die Zelle 110 erzeugt elektrische Energie durch elektrochemische Reaktion eines zur anodenseitigen Katalysatorelektrodenschicht geführten Brenngases (zum Beispiel Wasserstoff) und eines zur kathodenseitigen Katalysatorelektrodenschicht geführten Oxidationsgases (zum Beispiel in der Luft enthaltenen Sauerstoff). Zwei Endplatten 111 als Gesamtelektroden sind an den entsprechenden Enden der gestapelten Zellen 110 angeordnet.
Das Brenngaszuführungssystem 200 umfasst einen Wasserstoffbehälter 210, einen Durchflussmengenregler 220, einen Befeuchtungsregler 230, einen Umlaufverdichter 240, einen Gas-Flüssigkeitsabscheider 250 und ein Umschaltventil 260. Das Brenngaszuführungssystem 200 ist so ausgestaltet, dass es Wasserstoff als Brenngas aus dem Wasserstoffbehälter 210 zu den Anoden der entsprechenden, die Brennstoffzelle 100 bildenden Zellen 110 führt. Die Zuführung von Wasserstoff aus dem Wasserstoffbehälter 210 erfolgt über eine Brenngaszuführungsstrecke 271a, den Durchflussmengenregler 220, eine Brenngaszuführungsstrecke 271b, den Befeuchtungsregler 230 und eine Brenngaszuführungsstrecke 271c. Der Durchflussmengenregler 220 reguliert die Liefermenge an Wasserstoff zur Erzielung einer Durchflussmenge und eines Drucks entsprechend einer Anweisung vom Systemsteuergerät 900. Der Befeuchtungsregler 230 reguliert die Befeuchtungstemperatur von Wasserstoff zur Erzielung einer Wasserstofffeuchtigkeit entsprechend einer Anweisung vom Systemsteuergerät 900. Der Wasserstoffbehälter 210 kann beispielsweise ein mit einem Druckregler versehener Wasserstoffbehälter zum Speichern von Hochdruckwasserstoff sein.
Im Brenngaszuführungssystem 200 wird das Umschaltventil 260 geöffnet, um unverbrauchten Wasserstoff, der in den Anoden nicht verwendet wird, aus dem Brennstoffzellensystem 10 auszutragen. Der Austrag des unverbrauchten Wasserstoffs erfolgt über eine Brenngasabführungsstrecke 271d, den Gas-Flüssigkeitsabscheider 250 und das Umschaltventil 260. Im Brenngaszuführungssystem 200 wird das Umschaltventil 260 geschlossen, um den unverbrauchten Wasserstoff, der in den Anoden nicht verwendet wird, an die Brenngaszuführungsstrecke 271c zurückzuführen und den unverbrauchten Wasserstoff als Brenngas wiederzuverwenden. Die Wiederverwendung des unverbrauchten Wasserstoffs erfolgt über die Brenngasabführungsstrecke 271d, den Gas-Flüssigkeitsabscheider 250, eine Umlaufstrecke 271e, den Umlaufverdichter 240 und eine Umlaufstrecke 271f. Der Umlaufverdichter 240 reguliert die Umlaufmenge und den Druck von Wasserstoff in Reaktion auf eine Anweisung vom Systemsteuergerät 900.
Das Oxidationsgaszuführungssystem 300 umfasst eine Einlassöffnung 310, einen Verdichter 320, einen Befeuchtungsregler 330, ein Dichtventil 340 und eine Auslassöffnung 390. Das Oxidationsgaszuführungssystem 300 ist so ausgestaltet, dass es die Sauerstoff enthaltende Luft als Oxidationsgas zu den Kathoden der entsprechenden, die Brennstoffzelle 100 bildenden Zellen 110 führt. Die Zuführung der Luft aus der Einlassöffnung 310 erfolgt über eine Oxidationsgaszuführungsstrecke 351a, den Verdichter 320, eine Oxidationsgaszuführungsstrecke 351b, den Befeuchtungsregler 330 und eine Oxidationsgaszuführungsstrecke 351c. Der Verdichter 320 reguliert die Menge der aus der Einlassöffnung 310 angesaugten Luft zur Erzielung eines Drucks entsprechend einer Anweisung vom Systemsteuergerät 900. Der Befeuchtungsregler 330 reguliert die Befeuchtungstemperatur der Luft zur Erzielung einer Feuchtigkeit der Luft entsprechend einer Anweisung vom Systemsteuergerät 900.
Das Oxidationsgaszuführungssystem 300 trägt über die Auslassöffnung 390 ein Abgas aus, das aus der Brennstoffzelle 100 ausströmt und dessen Konzentration um den für die elektrochemische Reaktion verwendeten Sauerstoff vermindert ist. Der Austrag des Abgases erfolgt über eine Oxidationsgasabführungsstrecke 351d, das Dichtventil 340 und eine Oxidationsgasabführungsstrecke 351e. Das Dichtventil 340 verhindert, dass die Luft während einer Unterbrechung des Brennstoffzellensystems 110 über die Auslassöffnung 390, die Oxidationsgasabführungsstrecke 351e, das Dichtventil 340 und die Oxidationsgasabführungsstrecke 351d zu den Kathoden geführt wird. Das Dichtventil 340 reguliert seine Auf/Zu-Stellung in Reaktion auf eine vom Systemsteuergerät 900 kommende Anweisung zur Regelung der Luftzufuhr.
Das Brennstoffzellenkühlsystem 400 umfasst einen Radiator 410, einen Kühlmedium-Temperatursensor 420, eine Kühlmedium-Umlaufpumpe 430 und ein Rotationsventil 450. Das Brennstoffzellenkühlsystem 400 ist so ausgestaltet, dass es ein Kühlmedium umwälzt und dadurch die Brennstoffzelle 100 abkühlt. Als Kühlmedium kann zum Beispiel Wasser oder Luft verwendet werden. Die vorliegende Ausführungsform verwendet Wasser als Kühlmedium. Der Radiator 410 ist mit der Brennstoffzelle 100 über eine Kühlmedium-Zuführungsstrecke 441a und eine Kühlmedium-Abführungsstrecke 441b verbunden. Der Radiator 410 liefert das Kühlmedium über die Kühlmedium-Zuführungsstrecke 441a zur Brennstoffzelle 100 und nimmt das Kühlmedium, nachdem dieses zur Kühlung verwendet wurde, über die Kühlmedium-Abführungsstrecke 441b auf, um es umzuwälzen. Der Kühlmedium-Temperatursensor 420 misst die Temperatur des aus der Brennstoffzelle 100 ausgetragenen Kühlmediums. Der Kühlmedium-Temperatursensor 420 weist einen mit dem Systemsteuergerät 900 verbundenen Ausgang auf. Der Kühlmedium-Temperatursensor 420 dient als „Temperaturmesseinheit“. Die Kühlmittel-Umlaufpumpe 430 und das Rotationsventil 450 regulieren die Umlaufmenge und den Druck des Kühlmediums in Reaktion auf eine Anweisung vom Systemsteuergerät 900.
Die Lastvorrichtung 500 wird beispielsweise durch einen Elektromotor zum Antreiben eines Fahrzeugs ausgestaltet. Die Lastvorrichtung 500 ist mit den entsprechenden Anschlussplatten 111 auf der positiven Elektrodenseite und auf der negativen Elektrodenseite der Brennstoffzelle 100 über den Energieversorgungsumschalter 600 verbunden. Ein Wechselrichter 550 ist vorgesehen, um Gleichstrom (DC), der von der Brennstoffzelle 100 oder Batterie 700 bereitgestellt wird, in Wechselstrom (AC) umzuwandeln und den Wechselstrom an die Lastvorrichtung 500 zu liefern. Der Wechselrichter 550 ist mit der Brennstoffzelle 100 und Batterie 700 parallel geschaltet. Ein Stromsensor 560 ist mit der Brennstoffzelle 100 in Reihe geschaltet, um den Wert des in die Brennstoffzelle 100 einfließenden elektrischen Stroms zu messen.
Die Batterie 700 wird beispielsweise durch eine zweite Batterie ausgestaltet. Die Batterie 700 ist über einen DC-DC-Wandler 750 mit der Lastvorrichtung 500 und Brennstoffzelle 100 parallel geschaltet. Der DC-DC-Wandler 750 verstärkt eine Ausgangsspannung der Batterie 700 und liefert die verstärkte Spannung an den Wechselrichter 550. Der DC-DC-Wandler 750 regelt die Ausgangsspannung auch herunter und liefert die heruntergeregelte Spannung an die Batterie 700, um einen von der Brennstoffzelle 100 erzeugten Energieüberschuss zu akkumulieren. Im Brennstoffzellensystem 10 der Ausführungsform ist bei AUS-Stellung (Offen-Position) des Energieversorgungsumschalters 600 die Batterie 700 über den DC-DC-Wandler 750 und Wechselrichter 550 mit der Lastvorrichtung 500 verbunden. Bei EIN-Stellung (Geschlossen-Position) des Energieversorgungsumschalters 600 ist hingegen die Brennstoffzelle 100 mit der Lastvorrichtung 500 verbunden.
Der Zellenmonitor 800 ist mit den entsprechenden, die Brennstoffzelle 100 bildenden Zellen 110 verbunden, um die Zellspannungen der jeweiligen Zellen 110 zu messen. Die Zellspannung bedeutet eine Potenzialdifferenz zwischen der Kathodenelektrode und der Anodenelektrode. Der Zellenmonitor 800 der vorliegenden Ausführungsform ist mit sämtlichen die Brennstoffzelle 100 bildenden Zellen 110 verbunden, um die Zellspannungen der jeweiligen Zellen 110 einzeln zu messen. Entsprechend einer Abwandlung kann der Zellenmonitor 800 jedoch nur mit einem Teil der die Brennstoffzelle 100 bildenden Zellen 110 verbunden sein, um die Zellspannungen dieses Teils der Zellen 110 zu messen. Der Zellenmonitor 800 weist einen mit dem Systemsteuergerät 900 verbundenen Ausgang auf.
Das Systemsteuergerät 900 umfasst eine Zentralprozessoreinheit (CPU) 910, eine Speichereinheit 920, einen Festwertspeicher (ROM) 930, einen Arbeitsspeicher (RAM) 940 und einen Umgebungstemperatursensor 950, der zur Messung der Umgebungstemperatur ausgelegt ist. Das Systemsteuergerät 900 ist mit den entsprechenden Komponenten des Brennstoffzellensystems 10 elektrisch verbunden, um die entsprechenden Komponenten anhand der von den entsprechenden Komponenten gelieferten Informationen zu steuern.
Die CPU 910 liest ein im ROM 930 gespeichertes Steuerungsprogramm und führt dieses aus, um die Operationen der entsprechenden Komponenten des Brennstoffzellensystems 10 zu steuern, und dient als Steuergerät 912 und Endabschnittstemperaturschätzer 914. Die Speichereinheit 920 wird beispielsweise durch einen ROM, einen RAM oder eine Festplatte ausgestaltet. Die Speichereinheit 920 speichert vorab ein Leistungsbegrenzungskennfeld 922.
Das Steuergerät 912 stellt eine Obergrenze des für die Brennstoffzelle 100 erforderlichen elektrischen Stroms bereit und stellt damit eine Leistungsgrenze der Brennstoffzelle 100 bereit. Ein Fehlbetrag an elektrischer Energie, der durch die vom Steuergerät 912 bereitgestellte Leistungsgrenze der Brennstoffzelle 100 verursacht wird, wird beispielsweise durch die Batterie 700 ergänzt. Das Steuergerät 912 führt einen später noch beschriebenen Prozess zum Bestimmen des Leistungsgrenzbetrags durch, um die Größenordnung der vom Steuergerät 912 bereitgestellten Leistungsgrenze (Leistungsgrenzbetrag) der Brennstoffzelle 100 zu bestimmen. Der Endabschnittstemperaturschätzer 914 schätzt die Temperatur der Endabschnittszelle 110 der Brennstoffzelle 100 im Prozess zum Bestimmen des Leistungsgrenzbetrags.
2 ist eine Darstellung eines Beispiels eines Leistungsbegrenzungskennfeldes 922. Das Leistungsbegrenzungskennfeld 922 speichert eine durch Startgrenzspannung (V) und Temperatur (°C) definierte Schwankung des Schwellenwertes (dargestellt durch Strichellinie in 2). Die Startgrenzspannung bedeutet eine Spannung, bei der das Steuergerät 912 mit der Bereitstellung der Leistungsgrenze der Brennstoffzelle 100 beginnen soll. Die Wahrscheinlichkeit einer Schädigung der Zelle 110 durch den Abfall der Zellspannung ist bei höherer Temperatur der Zelle 110 größer. Der Schwellenwert (durch gestrichelte Kurve dargestellt) des Leistungsbegrenzungskennfeldes 922 wird dementsprechend so bestimmt, dass die Startgrenzspannung und die Temperatur eine positive Korrelation aufweisen. Das in 2 dargestellte Leistungsbegrenzungskennfeld 922 dient lediglich der Veranschaulichung und die konkreten Werte der Spannung, der Temperatur und des Schwellenwertes können sich entsprechend ändern.
Prozess zum Bestimmen des Leistungsgrenzbetrags
3 ist ein Flussdiagramm zur Darstellung eines Verfahrens zum Bestimmen des Leistungsgrenzbetrags. Der Prozess zum Bestimmen des Leistungsgrenzbetrags erfolgt durch Zusammenwirken des Steuergerätes 912 und des Endabschnittstemperaturschätzers 914. Der Prozess zum Bestimmen des Leistungsgrenzbetrags wird in vorherbestimmten Zeitintervallen nach einem Start des Brennstoffzellensystems 10 wiederholt durchgeführt. Das vorherbestimmte Zeitintervall kann in geeigneter Weise bestimmt werden.
In Schritt S10 gewinnt das Steuergerät 912 eine Kühlmediumtemperatur. Speziell gewinnt das Steuergerät 912 aus dem Kühlmedium-Temperatursensor 420 die vom Kühlmedium-Temperatursensor 420 gemessene letzte Temperatur des Kühlmediums und gibt die gewonnene letzte Temperatur als Kühlmediumtemperatur vor. Die vom Kühlmedium-Temperatursensor 420 gewonnene Temperatur des Kühlmediums ist die Temperatur des Kühlmediums bei Austritt aus der Brennstoffzelle 100. Die Kühlmediumtemperatur entspricht somit der Durchschnittstemperatur der die Brennstoffzelle 100 bildenden Mehrzahl von Zellen 110.
In Schritt S12 schätzt der Endabschnittstemperaturschätzer 914 eine Endabschnittstemperatur. „Endabschnittstemperatur“ bedeutet die Temperatur der Endabschnittszelle 110 der Brennstoffzelle 100. Speziell legt der Endabschnittstemperaturschätzer 914 einen primären Verzögerungsfilter an die in Schritt S10 gewonnene Kühlmediumtemperatur an und gibt die resultierende Temperatur als Endabschnittstemperatur vor. Die Endabschnittstemperatur dient als „korrigierte Temperatur“.
4 ist eine Darstellung eines Verfahrens zur Schätzung der Endabschnittstemperatur. Wie dies oben in Bezug auf Schritt S12 von 3 beschrieben wird, legt der Endabschnittstemperaturschätzer 914 einen primären Verzögerungsfilter flt an eine Kühlmediumtemperatur T_fc an, um gemäß der nachfolgenden Gleichung (1) eine Endabschnittstemperatur T_Efc zu bestimmen. $T_{Efc} = flt (T_{fc})$
4 zeigt zeitliche Änderungen der in Schritt S10 gewonnen Kühlmediumtemperatur T_fc und der in Schritt S12 geschätzten Endabschnittstemperatur T_Efc . In 4 ist ein Zeitverlauf der Kühlmediumtemperatur T_fc mit durchgehender Linie und ein Zeitverlauf der Endabschnittstemperatur T_Efc mit gestrichelter Linie dargestellt. Wie dies dargestellt ist, wird durch Anlegen des primären Verzögerungsfilters bewirkt, dass die Endabschnittstemperatur T_Efc über einen bestimmten Zeitraum nach Starten des Brennstoffzellensystems 10 niedriger ist als die Kühlmediumtemperatur T_fc . In der Brennstoffzelle 100 neigen die Endabschnittszellen 110 im Allgemeinen zu einer höheren Wärmeabgabe und einem schlechteren Temperaturanstiegsverhalten als Mittelabschnittszellen 110, die sich in einem mittleren Abschnitt der Stapelstruktur befinden. In Schritt S12 des Prozesses zum Bestimmen des Leistungsgrenzbetrags (dargestellt in 3) stellt der Endabschnittstemperaturschätzer 914 die Endabschnittstemperatur T_Efc als korrigierten Wert nahe dem Ist-Zustand bereit.
In Schritt S14 von 3 gewinnt das Steuergerät 912 die Zellspannungen der entsprechenden Zellen 110. Speziell gewinnt das Steuergerät 912 die vom Zellenmonitor 800 gemessenen letzten Zellspannungen der entsprechenden Zellen 110.
In Schritt S16 bestimmt das Steuergerät 912, ob eine Mindestspannung der Endabschnittszelle gleich oder kleiner als ein erster Schwellenwert ist. Speziell führt das Steuergerät 912 die folgenden Schritte a1 bis a4 aus.
(a1) Das Steuergerät 912 extrahiert die Zellspannungen der Endabschnittszellen 110 der Brennstoffzelle 100 aus den in Schritt S14 gewonnenen Zellspannungen der entsprechenden Zellen 110.
(a2) Das Steuergerät 912 extrahiert aus den in Schritt a1 extrahierten Zellspannungen eine Mindestzellspannung als „Mindestspannung der Endabschnittszelle“.
(a3) Das Steuergerät 912 bestimmt den ersten Schwellenwert. Speziell greift das Steuergerät 912 auf das Leistungsbegrenzungskennfeld 922 zu und bestimmt als ersten Schwellenwert eine Startgrenzspannung, die der in Schritt S12 geschätzten Endabschnittstemperatur T_Efc entspricht. Das heißt in anderen Worten, dass der erste Schwellenwert entsprechend der Endabschnittstemperatur T_Efc bestimmt wird.
(a4) Das Steuergerät 912 bestimmt, ob die in Schritt a2 bestimmte Mindestspannung der Endabschnittszelle gleich oder kleiner als der in Schritt a3 bestimmte erste Schwellenwert (Startgrenzspannung entsprechend der Endabschnittstemperatur) ist.
Wenn die Mindestspannung der Endabschnittszelle höher als der erste Schwellenwert ist (Schritt S16: NEIN), bestimmt das Steuergerät 912 in Schritt S18, dass keine Leistungsbegrenzung der Brennstoffzelle 100 vorgenommen wird (d. h. es setzt den Leistungsgrenzbetrag auf 0), und beendet den Prozess der Bestimmung des Leistungsgrenzbetrags.
Wenn die Mindestspannung der Endabschnittszelle jedoch gleich oder kleiner als der erste Schwellenwert ist (Schritt S16: JA), bestimmt das Steuergerät 912 den Leistungsgrenzbetrag der Brennstoffzelle 100 entsprechend einer Differenz zwischen der Mindestspannung der Endabschnittszelle (Schritt a2) und der als erster Schwellenwert bestimmten Startgrenzspannung (Schritt a3) in Schritt S20. Das Steuergerät 912 kann zum Bestimmen des Leistungsgrenzbetrags jedes geeignete Verfahren einsetzen. Das Steuergerät 912 kann beispielsweise ein in der Speichereinheit 920 im Voraus abgelegtes Kennfeld oder eine vorherbestimmte Berechnungsformel verwenden. Nach Bestimmung des Leistungsgrenzbetrags beendet das Steuergerät 912 den Prozess zum Bestimmen des Leistungsgrenzbetrags und stellt anhand des Leistungsgrenzbetrags eine Obergrenze in Bezug auf den für die Brennstoffzelle 100 erforderlichen elektrischen Strom bereit.
Im Prozess zum Bestimmen des Leistungsgrenzbetrags der Ausführungsform, wie dieser oben beschrieben wird, bestimmt das Steuergerät 912 den ersten Schwellenwert entsprechend der Endabschnittstemperatur, die auf einen Wert kleiner als die Kühlmediumtemperatur korrigiert wird (Schritt S12) (Schritt S16, Schritt a3). Im Leistungsbegrenzungskennfeld 922 (in 2 dargestellt) weisen die Startgrenzspannung und die Temperatur eine positive Korrelation auf, so dass die als erster Schwellenwert bestimmte Startgrenzspannung kleiner ist als eine entsprechend der Kühlmediumtemperatur bestimmte Startgrenzspannung. Infolge dessen ist die Differenz zwischen der Mindestspannung der Endabschnittszelle und der als erster Schwellenwert bestimmten Startgrenzspannung (Schritt S20) kleiner als die Differenz zwischen dem Mindestwert der Endabschnittszelle und der entsprechend der Kühlmediumtemperatur bestimmten Startgrenzspannung. Das Steuergerät 912 bestimmt den Leistungsgrenzbetrag entsprechend der korrigierten Differenz, die kleiner ist als die Differenz, die auf dem der Kühlmediumtemperatur entsprechenden Leistungsgrenzbetrag beruht (Schritt S20), wie dies oben beschrieben wird. Falls im Prozess zum Bestimmen des Leistungsgrenzbetrags der vorliegenden Ausführungsform ein Abfall der Zellspannung in den Endabschnittszellen 110 der Brennstoffzelle 100 erkannt wird, stellt das Steuergerät 912 dementsprechend die Leistungsgrenze der Brennstoffzelle 100 mit dem Leistungsgrenzbetrag bereit, der kleiner ist als Leistungsgrenzbetrag, welcher der Kühlmediumtemperatur entspricht.
Gemäß der Ausführungsform vergleicht das Steuergerät 912 in Schritt S16 die Mindestspannung der Endabschnittszelle mit dem ersten Schwellenwert. Gemäß einer Abwandlung kann das Steuergerät 912 in Schritt S16 einen statistischen Wert der Zellspannungen der Endabschnittszellen (beispielsweise einen Mittelwert, einen Medianwert oder einen Modalwert) mit dem ersten Schwellenwert vergleichen. Gemäß einer anderen Abwandlung kann das Steuergerät 912 die jeweiligen Zellspannungen der Endabschnittszellen mit dem ersten Schwellenwert vergleichen. In der letztgenannten Abwandlung kann das Steuergerät 912 bestimmen, dass die Bedingung von Schritt S16 erfüllt ist, wenn die Zellspannung in einer der Endabschnittszellen einen Wert gleich oder kleiner als der erste Schwellenwert annimmt, oder es kann bestimmen, dass die Bedingung von Schritt S16 erfüllt ist, wenn die Zellspannungen in n Endabschnittszellen (wobei n eine Ganzzahl von mindestens 2 darstellt) einen Wert gleich oder kleiner als der erste Schwellenwert annehmen.
Der Leistungsgrenzbetrag der Brennstoffzelle 100 weist eine positive Korrelation zur Temperatur der Brennstoffzelle 100 auf. Das bedeutet speziell, dass die höhere Temperatur der Brennstoffzelle 100 den größeren Leistungsgrenzbetrag bereitstellt und die niedrigere Temperatur der Brennstoffzelle 100 den kleineren Leistungsgrenzbetrag bereitstellt. In der mit der Mehrzahl von Zellen 110 versehenen Brennstoffzelle 100, wie in dieser Ausführungsform, sind die Temperaturen der jeweiligen Zellen 110 der Brennstoffzelle 100 nicht gleichförmig. Die Temperatur in den Endabschnittszellen 110 der Brennstoffzelle 100 ist beispielsweise niedriger als die Temperatur in den Mittelabschnittszellen 110 der Brennstoffzelle 100. Die Temperatur des Kühlmediums (Kühlmediumtemperatur T_fc ), die allgemein als indikativer Wert für die Temperatur der Brennstoffzelle 100 verwendet wird, ist dementsprechend höher als die tatsächliche Temperatur der Endabschnittszellen 110 der Brennstoffzelle 100 (Endabschnittstemperatur T_Efc ). Das Bestimmen des Leistungsgrenzbetrags der Brennstoffzelle 100 entsprechend der Temperatur des Kühlmediums führt somit dazu, dass eine überhöhte Leistungsgrenze für die Endabschnittszellen 110 der Brennstoffzelle 100 bereitgestellt wird (d. h. dass ein zu hoher Leistungsgrenzbetrag bereitgestellt wird). Die überhöhte Leistungsgrenze neigt dazu, die von den jeweiligen Zellen 110 der Brennstoffzelle 100 erzeugte Wärmemenge zu reduzieren und das Startverhalten der Brennstoffzelle 100 zu verschlechtern.
Wenn im Brennstoffzellensystem 10 der Ausführungsform die aus den Endabschnittszellen 110 der Brennstoffzelle 100 gewonnene Zellspannung absinkt (Schritt S16: JA in 3), reduziert das Steuergerät 12 den für die Ist-Leistungsgrenze der Brennstoffzelle 100 verwendeten Leistungsgrenzbetrag auf einen Wert, der kleiner ist als der Leistungsgrenzbetrag, welcher der durch die Temperaturmesseinheit (Kühlmedium-Temperatursensor 420) gemessenen Temperatur des Kühlmediums (Kühlmediumtemperatur T_fc ) entspricht (Schritt S20 in 3). Das Brennstoffzellensystem 10 der Ausführungsform verhindert dementsprechend die Bereitstellung einer überhöhten Leistungsgrenze für die Endabschnittszellen 110 der Brennstoffzelle 100. Dies erhöht die von den jeweiligen Zellen 110 der Brennstoffzelle 100 erzeugte Wärmemenge und verbessert das Startverhalten der Brennstoffzelle 100. Infolgedessen stellt das Brennstoffzellensystem 10 der Ausführungsform problemlos die Leistungsgrenze der Brennstoffzelle 100 anhand der Temperatur des Kühlmediums bereit und verbessert dabei das Startverhalten der Brennstoffzelle 100.
Im Brennstoffzellensystem 10 der Ausführungsform bestimmt das Steuergerät 912 den Leistungsgrenzbetrag der Brennstoffzelle 100 anhand der korrigierten Temperatur (Endabschnittstemperatur T_Efc ), die so korrigiert ist, dass sie den Temperaturen der Endabschnittszellen 110 der Brennstoffzelle 100 entspricht (Schritt S20 in 3).
Im Brennstoffzellensystem 10 der Ausführungsform legt das Steuergerät 912 zum Bestimmen der korrigierten Temperatur (Endabschnittstemperatur T_Efc ) darüber hinaus den primären Verzögerungsfilter flt an (Schritt S12 in 3). Die korrigierte Temperatur ist dementsprechend für einige Zeit nach einem Start der Brennstoffzelle 100 niedriger als die durch die Temperaturmesseinheit (Kühlmedium-Temperatursensor 420) gemessene Temperatur des Kühlmediums (Kühlmediumtemperatur T_fc ) und nähert sich anschließend der durch die Temperaturmesseinheit gemessenen Temperatur des Kühlmediums an (wie in 4 dargestellt). Infolgedessen legt das Steuergerät 912 für einen gewissen Zeitraum nach Start der Brennstoffzelle 100 (zum Beispiel für einige Zeit bis die Brennstoffzelle 100 vorgewärmt ist) die Priorität auf die Erhöhung der von den jeweiligen Zellen 110 der Brennstoffzelle 100 erzeugten Wärmemenge und verbessert dadurch das Startverhalten der Brennstoffzelle 100 und legt anschließend (zum Beispiel nach dem Vorwärmen der Brennstoffzelle 100) die Priorität auf die Verhinderung einer Schädigung der Zellen 100. Die Wahrscheinlichkeit einer Schädigung der Zelle 110 durch den Abfall der Zellspannung ist bei höherer Temperatur der Zelle 110 größer. Wie bei der Ausgestaltung der oben beschriebenen Ausführungsform ist es vorzuziehen, die Priorität direkt nach einem Start der Brennstoffzelle 100, wenn die Temperatur der Zelle 110 niedrig ist, auf eine Verbesserung des Startverhaltens der Brennstoffzelle 100 zu legen, indem der kleinere Leistungsgrenzbetrag bereitgestellt wird, statt auf die Verhinderung einer Schädigung der Zellen 110 durch Bereitstellung des größeren Leistungsgrenzbetrags.
Abwandlung des Verfahrens zur Schätzung der Endabschnittstemperatur
5 ist eine Darstellung einer Abwandlung des Verfahrens zur Schätzung einer Endabschnittstemperatur. Der Prozess zum Bestimmen des Leistungsgrenzbetrags nach 3 kann die folgenden Schritte b1 bis b3 an Stelle des oben beschriebenen Verfahrens zur Schätzung der Endabschnittstemperatur (Schritt S12) aufweisen.
(b1) Der Endabschnittstemperaturschätzer 914 bestimmt, ob das Brennstoffzellensystem 10 gerade vorgewärmt wird. Speziell stellt der Endabschnittstemperaturschätzer 914 fest, dass das Brennstoffzellensystem 10 sich im Vorwärmen befindet, wenn die in Schritt S10 gewonnene Kühlmediumtemperatur gleich oder kleiner als eine vorherbestimmte Solltemperatur ist, und stellt fest, dass das Brennstoffzellensystem 10 fertig vorgewärmt ist (d. h. dass das Brennstoffzellensystem 10 gerade nicht vorgewärmt wird), wenn die Kühlmediumtemperatur höher ist als die vorherbestimmte Solltemperatur. Die vorherbestimmte Solltemperatur wird im Voraus vorgegeben und in der Speichereinheit 920 gespeichert. Die vorherbestimmte Solltemperatur kann beispielsweise entsprechend der Umgebungstemperatur geändert werden.
(b2) Wenn das Brennstoffzellensystem 10 gerade vorgewärmt wird, legt der Endabschnittstemperaturschätzer 914 den primären Verzögerungsfilter flt an die in Schritt S10 gewonnene Kühlmediumtemperatur T_fc an und bestimmt den sich ergebenden Wert, d. h. den Wert, der durch die in Bezug auf Schritt S12 von 3 oben beschriebene Gleichung (1) bestimmt wird, als Endabschnittstemperatur T_Efc .
(b3) Ist das Brennstoffzellensystem 10 fertig vorgewärmt, subtrahiert der Endabschnittstemperaturschätzer 914 einen vorherbestimmten Korrekturwert ΔT, der entsprechend der Umgebungstemperatur bestimmt wird, von der Kühlmediumtemperatur T_fc , die in Schritt S10 entsprechend der nachstehend angegebenen Gleichung (2) gewonnen wird. Der vorherbestimmte Korrekturwert ΔT wird entsprechend der Umgebungstemperatur im Vorfeld vorgegeben und in der Speichereinheit 920 gespeichert. $T_{fc} - Δ T (Umgebungstemperatur)$
Der Endabschnittstemperaturschätzer 914 vergleicht anschließend den Wert, der durch Anlegen des primären Verzögerungsfilters flt an die Kühlmediumtemperatur T_fc gewonnen wurde (rechter Term der Gleichung (1)), mit dem Wert, der durch Subtraktion des vorherbestimmten Korrekturwertes ΔT von der Kühlmediumtemperatur T_fc gewonnen wurde, und stellt den kleineren als Endabschnittstemperatur T_Efc ein.
5 zeigt zeitliche Änderungen der in Schritt S10 gewonnenen Kühlmediumtemperatur T_fc und der in Schritt S12 geschätzten Endabschnittstemperatur T_Efc der Abwandlung. Wie dies abgebildet ist, ist die durch Anlegen des primären Verzögerungsfilters gewonnene Endabschnittstemperatur T_Efc bis zum Ende des Vorwärmens, das durch einen Kreis mit strichpunktierter Linie dargestellt ist, niedriger als die Kühlmediumtemperatur T_fc . Nach Ende des Vorwärmens wird das kleinere der Ergebnisse aus dem Anlegen des primären Verzögerungsfilters und aus der umgebungstemperaturabhängigen Subtraktion des Korrekturwertes als korrigierte Temperatur eingestellt (d. h. der größere Korrekturbetrag wird bereitgestellt). Das bewirkt, dass die Endabschnittstemperatur T_Efc kleiner als die Kühlmediumtemperatur T_fc ist.
Im Brennstoffzellensystem 10 dieser Abwandlung legt das Steuergerät 912, wie dies oben beschrieben wird, zum Bestimmen der korrigierten Temperatur (Endabschnittstemperatur T_Efc ) den primären Verzögerungsfilter flt an, während sich das Brennstoffzellensystem 10 in der Vorwärmphase befindet. Die Priorität liegt damit auf der Erhöhung der von den jeweiligen Zellen 110 der Brennstoffzelle 100 erzeugten Wärmemenge und verbessert dadurch das Startverhalten der Brennstoffzelle 100 während des Vorwärmens des Brennstoffzellensystems 10. Nach Beendigung des Vorwärmens des Brennstoffzellensystems 10 bestimmt das Steuergerät 912 die korrigierte Temperatur durch Auswahl des kleineren der Ergebnisse aus dem Anlegen des primären Verzögerungsfilters flt und aus der umgebungstemperaturabhängigen Subtraktion des vorherbestimmten Korrekturwertes ΔT (d. h. durch Auswahl des Ergebnisses, das den größeren Korrekturbetrag bereitstellt). Diese abgewandelte Ausgestaltung verhindert nach dem erfolgten Vorwärmen des Brennstoffzellensystems 10 eine Schädigung der Zellen 110 bei gleichzeitiger maximaler Verbesserung des Startverhaltens der Brennstoffzelle 100 durch Berücksichtigung der Umgebungstemperatur.
Zweite Ausführungsform
Im Folgenden wird eine Ausgestaltung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung in einem abweichenden Verfahren zum Bestimmen des Leistungsgrenzbetrags beschrieben. Die Ausgestaltung und das Verfahren der zweiten Ausführungsform sind bei Ähnlichkeit zu Ausgestaltung und Verfahren der ersten Ausführungsform mit Bezugszeichen entsprechend den Bezugszeichen der ersten Ausführungsform versehen und werden nicht besonders beschrieben. Das heißt mit anderen Worten, dass die Ausgestaltung und das Verfahren, soweit im Folgenden nicht beschrieben, identisch mit Ausgestaltung und Verfahren der oben beschriebenen ersten Ausführungsform sind.
Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems
6 ist eine Darstellung zur schematischen Veranschaulichung der Ausgestaltung eines Brennstoffzellensystems 10a gemäß einer zweiten Ausführungsform. Der Unterschied zur ersten Ausführungsform aus 1 besteht darin, dass das Brennstoffzellensystem 10a ein Steuergerät 912a an Stelle des Steuergerätes 912 umfasst. Das Steuergerät 912a führt ein anderes Verfahren zum Bestimmen des Leistungsgrenzbetrags als das Steuergerät der ersten Ausführungsform aus.
Prozess zum Bestimmen des Leistungsgrenzbetrags
7 ist ein Flussdiagramm zur Darstellung eines Verfahrens zum Bestimmen des Leistungsgrenzbetrags gemäß der zweiten Ausführungsform. Der Unterschied zur ersten Ausführungsform nach 3 besteht darin, dass Schritt S26 an Stelle von Schritt S22 vorgesehen ist und zusätzlich die Schritte S21, S22, S24, S28 und S30 vorgesehen sind.
Wenn der Prozess zum Bestimmen des Leistungsgrenzbetrags ausgelöst wird, initialisiert das Steuergerät 912a für dieses Verfahren eine Variable i, indem es in Schritt S21 0 auf die Variable i einstellt. Die Abarbeitung der Schritte S10 bis S14 ist identisch mit der ersten Ausführungsform, wie oben unter Verweis auf 3 beschrieben.
In Schritt S22 bestimmt das Steuergerät 912a, ob eine Mindestspannung sämtlicher Zellen gleich oder kleiner als ein zweiter Schwellenwert ist. Speziell führt das Steuergerät 912a die folgenden Schritte c1 bis c3 aus.
(c1) Das Steuergerät 912a extrahiert aus den in Schritt S14 gewonnenen Zellspannungen der jeweiligen Zellen 110 eine Mindestzellspannung als „Mindestspannung sämtlicher Zellen“. Die als Mindestspannung sämtlicher Zellen extrahierte Zellspannung kann eine Zellspannung der Endabschnittszelle 110 sein oder eine Zellspannung der Mittelabschnittszelle 110 sein.
(c2) Das Steuergerät 912a bestimmt den zweiten Schwellenwert. Speziell greift das Steuergerät 912a auf das Leistungsbegrenzungskennfeld 922 zurück und bestimmt als zweiten Schwellenwert eine Startgrenzspannung, die der in Schritt S10 gewonnenen Kühlmediumtemperatur T_fc entspricht. Das heißt mit anderen Worten, dass der zweite Schwellenwert entsprechend der Kühlmediumtemperatur T_fc bestimmt wird.
(c3) Das Steuergerät 912a bestimmt, ob die in Schritt c1 bestimmte Mindestspannung sämtlicher Zellen gleich oder kleiner als der in Schritt c2 bestimmte zweite Schwellenwert (Startgrenzspannung entsprechend der Kühlmediumtemperatur) ist.
Wenn die Mindestspannung sämtlicher Zellen höher als der zweite Schwellenwert ist (Schritt S22: NEIN), fährt das Steuergerät 912a mit Schritt S16 fort. Wenn die Mindestspannung sämtlicher Zellen jedoch gleich oder kleiner als der zweite Schwellenwert ist (Schritt S22: JA), speichert das Steuergerät 912a eine Differenz zwischen der Mindestspannung sämtlicher Zellen (Schritt c1) und der als zweiter Schwellenwert bestimmten Startgrenzspannung (Schritt c2) im RAM 940 oder in der Speichereinheit 920 in Schritt S24 ab. Das Steuergerät 912a setzt in Schritt S24 darüber hinaus die Variable 1 auf den Wert 1 und fährt mit Schritt S16 fort.
In Schritt S16 bestimmt das Steuergerät 912a, ob die Mindestspannung der Endabschnittszelle gleich oder kleiner als die als erster Schwellenwert bestimmte Startgrenzspannung ist. Die Einzelheiten von Schritt S16 in 7 stimmen mit den dargestellten Einzelheiten von Schritt S16 in 3 überein.
Wenn die Mindestspannung der Endabschnittszelle höher als der erste Schwellenwert ist (Schritt S16: NEIN), fährt das Steuergerät 912a mit Schritt S28 fort. Wenn die Mindestspannung der Endabschnittszelle jedoch gleich oder kleiner als der erste Schwellenwert ist (Schritt S16: JA), speichert das Steuergerät 912a eine Differenz zwischen der Mindestspannung der Endabschnittszelle (Schritt a2) und der als erster Schwellenwert bestimmten Startgrenzspannung (Schritt a3) im RAM 940 oder in der Speichereinheit 920 in Schritt S26 ab. Das Steuergerät 912a setzt in Schritt S26 darüber hinaus die Variable 1 auf den Wert 1 und fährt mit Schritt S28 fort.
In Schritt S28 bestimmt das Steuergerät 912, ob die Variable i gleich 0 ist.
Wenn die Variable i gleich 0 ist (Schritt S28: JA), stellt das Steuergerät 912a in Schritt S18 fest, dass keine Leistungsbegrenzung der Brennstoffzelle 100 vorzunehmen ist (d. h. es setzt den Leistungsgrenzbetrag auf 0), und beendet den Prozess der Bestimmung des Leistungsgrenzbetrags.
Ist in Schritt S30 die Variable i hingegen nicht gleich 0 (Schritt S28: NEIN), gewinnt das Steuergerät 912a den größeren Wert der in Schritt S24 gespeicherten Differenz und der in Schritt S26 gespeicherten Differenz. Im Falle, dass im RAM 940 oder dergleichen nur eine einzige Differenz abgespeichert ist, übernimmt das Steuergerät 912a die abgespeicherte Differenz. Das Steuergerät 912a bestimmt den Leistungsgrenzbetrag der Brennstoffzelle 100 entsprechend der in Schritt S30 übernommenen Differenz. Nach Bestimmung des Leistungsgrenzbetrags beendet das Steuergerät 912a den Prozess zum Bestimmen des Leistungsgrenzbetrags und stellt anhand des Leistungsgrenzbetrags eine Obergrenze in Bezug auf den vom Systemsteuergerät 900 für die Brennstoffzelle 100 geforderten elektrischen Strom bereit.
Wie bei der ersten Ausführungsform kann das Steuergerät 912a in Schritt S16 einen statistischen Wert der Zellspannungen der Endabschnittszellen mit dem ersten Schwellenwert vergleichen oder die jeweiligen Zellspannungen der Endabschnittszellen mit dem ersten Schwellenwert vergleichen. Gleichweise kann das Steuergerät 912a in Schritt S22 einen statistischen Wert der Zellspannungen sämtlicher Zellen mit dem zweiten Schwellenwert vergleichen oder die jeweiligen Zellspannungen sämtlicher Zellen mit dem zweiten Schwellenwert vergleichen.
Abwandlung des Verfahrens zur Schätzung der Endabschnittstemperatur
Der Prozess zum Bestimmen des Leistungsgrenzbetrags kann die oben unter Verweis auf 5 beschriebenen Schritte b1 bis b3 zur Schätzung der Endabschnittstemperatur (Schritt S12) verwenden.
Im Brennstoffzellensystem 10a der Ausführungsform wählt das Steuergerät 912a, wie dies oben beschrieben wird, als Leistungsgrenze der Brennstoffzelle 100 den größeren Leistungsgrenzbetrag aus dem Leistungsgrenzbetrag, welcher der korrigierten Temperatur (Endabschnittstemperatur T_Efc ), d. h. der Temperatur der Endabschnittszellen 110 der Brennstoffzelle 100, entspricht, und dem Leistungsgrenzbetrag, welcher der Temperatur des Kühlmediums (Kühlmediumtemperatur T_fc ), d. h. der Temperatur der Brennstoffzelle 100, entspricht (Schritt S30 in 7). Infolgedessen stellt das Brennstoffzellensystem 10a der Ausführungsform problemlos die Leistungsgrenze der Brennstoffzelle 100 anhand der Temperatur des Kühlmediums bereit und verbessert dabei das Startverhalten der Brennstoffzelle 100 und verbessert darüber hinaus die schädigungsverhindernde Wirkung auf die Zellen 110.
Darüber hinaus bestimmt das Brennstoffzellensystem 10a der Ausführungsform den ersten Schwellenwert zur Erfassung eines Abfalls der Zellspannung in den Endabschnittszellen 110 der Brennstoffzelle 100 entsprechend der korrigierten Temperatur (Endabschnittstemperatur T_Efc ), d. h. der Temperatur der Endabschnittszellen 110 der Brennstoffzelle 100. Das Brennstoffzellensystem 10a der Ausführungsform bestimmt als Leistungsgrenze der Brennstoffzelle 100 den zweiten Schwellenwert zur Erfassung eines Abfalls der Zellspannung in sämtlichen Zellen 110 der Brennstoffzelle 100 entsprechend der Temperatur des Kühlmediums (Kühlmediumtemperatur T_fc ), d. h. entsprechend der Temperatur der Brennstoffzelle 100 (Schritt S30 in 7). Das Brennstoffzellensystem 10a der Ausführungsform kann somit die Schwellenwerte, die zur Erfassung eines Abfalls der Zellspannung verwendet werden, mit hoher Genauigkeit bestimmen.
Abwandlungen
Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen und Beispiele beschränkt, sondern kann in verschiedensten anderen Ausgestaltungen realisiert werden, ohne dass vom Umfang der Erfindung abgewichen wird. In der vorangehenden Ausführungsform können die softwareseitig implementierten Funktionen und Prozesse ganz oder teilweise durch Hardware realisiert werden. Auch können die hardwareseitig realisierten Funktionen und Prozesse ganz oder teilweise durch Software implementiert werden. Als Hardware können beispielsweise verschiedene Arten von Schaltungen wie integrierte Schaltungen, diskrete Schaltungen oder Schaltungsmodule in Kombination dieser Schaltungen verwendet werden. Ferner sind Abwandlungen wie nachfolgend beschrieben realisierbar. Nachstehend sind einige Beispiele möglicher Abwandlungen angegeben.
* Abwandlung 1
Die obigen Ausführungsformen zeigen Beispiele für die Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems. Die Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems kann jedoch auf verschiedene Weise modifiziert, geändert und abgewandelt werden, beispielsweise durch Hinzufügung, Wegnahme und Ersatz von Komponenten.
Die Brennstoffzelle ist beispielsweise nicht auf die Polymerelektrolytbrennstoffzelle beschränkt, sondern kann eine Brennstoffzelle verschiedener anderer Art sein.
* Abwandlung 2
Die obigen Ausführungsformen beschreiben Beispiele für das Verfahren zum Bestimmen des Leistungsgrenzbetrags. Die in 3 und 7 dargestellten Verfahrensabläufe zum Bestimmen des Leistungsgrenzbetrags sind rein veranschaulichend und können auf verschiedene Weise modifiziert und geändert werden. Beispielsweise kann ein Teil der Schritte weggelassen werden und können andere Schritte hinzugefügt werden. Die Ausführungsabfolge der Schritte kann geändert werden.
Die eingesetzten Mittel zur Schätzung der Endabschnittstemperatur (zum Beispiel der primäre Verzögerungsfilter oder der umgebungstemperaturabhängige Korrekturwert) sind rein veranschaulichend, und der Endabschnittstemperaturschätzer kann andere Mittel nutzen. Der Endabschnittstemperaturschätzer kann zum Beispiel einen festen Korrekturbetrag zum Schätzen der Endabschnittstemperatur verwenden, oder er kann zum Schätzen der Endabschnittstemperatur einen Korrekturwert abhängig von einer seit einem Start des Brennstoffzellensystems verstrichenen Zeitdauer verwenden.
Die obige Ausführungsform unterscheidet nicht nach Zellspannung und Endabschnittsspannung in den Endabschnittszellen an dem einen Ende der Brennstoffzelle und Zellspannung und Endabschnittsspannung am anderen Ende der Brennstoffzelle. Der Endabschnittstemperaturschätzer kann auch zwischen dem einen und dem anderen Ende der Brennstoffzelle unterscheiden und die Endabschnittstemperaturen für das jeweilige Ende schätzen. Gleichweise kann das Steuergerät zur Durchführung des Steuerungsverfahrens von 3 oder 7 zwischen dem einen Ende und dem anderen Ende der Brennstoffzelle unterscheiden und die Zellspannungen für das jeweilige Ende gewinnen.

Claims

Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem (10), wobei das Brennstoffzellensystem (10) aufweist: eine Brennstoffzelle (100), ausgestaltet durch Stapeln einer Mehrzahl von Zellen (110); einen Zellenmonitor (800) ausgestaltet zum Messen der Spannung der einzelnen Zellen (110) als Zellspannung; eine Temperaturmesseinheit (420) ausgestaltet zum Messen der Temperatur eines Kühlmediums, das zum Abkühlen der Brennstoffzelle (100) verwendet wird; und ein Steuergerät (900) ausgestaltet zum Bereitstellen einer Leistungsgrenze der Brennstoffzelle (100) in Reaktion auf einen Abfall der Zellspannung und Bestimmen eines Leistungsgrenzbetrags für die Leistungsgrenze entsprechend der durch die Temperaturmesseinheit (420) gemessenen Temperatur des Kühlmediums, wobei das Steuergerät (900), wenn die aus einer Endabschnittszelle der Brennstoffzelle (100) gewonnene Zellspannung gleich oder kleiner als ein erster Schwellenwert ist und die aus sämtlichen Zellen (110) der Brennstoffzelle (100) gewonnene Zellspannung gleich oder kleiner als ein zweiter Schwellenwert ist, zur Verwendung für die Leistungsgrenze der Brennstoffzelle (100), aus einem Leistungsgrenzbetrag, der einer korrigierten Temperatur entspricht, die auf einen Wert kleiner als die durch die Temperaturmesseinheit (420) gemessene Temperatur des Kühlmediums korrigiert wurde, und einem Leistungsgrenzbetrag, welcher der durch die Temperaturmesseinheit (420) gemessenen Temperatur des Kühlmediums entspricht, einen größeren Leistungsgrenzbetrag auswählt.
Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, wobei der erste Schwellenwert ein Wert ist, der entsprechend der korrigierten Temperatur bestimmt wird, und der zweite Schwellenwert ein Wert ist, der entsprechend der durch die Temperaturmesseinheit (420) gemessenen Temperatur des Kühlmediums bestimmt wird.