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HINTERGRUND
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1. Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und System zum Regeln einer Spannung einer Brennstoffzelle in einem Stopp-Modus eines Brennstoffzellenfahrzeugs, die in der Lage sind, die Haltbarkeit der Brennstoffzelle sicherzustellen und zu verhindern, dass die Kraftstoffeffizienz reduziert wird, indem eine Spannung aktiv verringert wird, wenn die Brennstoffzelle des Brennstoffzellenfahrzeugs stoppt.
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2. Beschreibung des Standes der Technik
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In einem Brennstoffzellenfahrzeug, wenn eine Stopp-Eintrittsbedingung erfüllt wird, wird ein Stopp-Modus-Vorgang durchgeführt. Der Stopp-Modus-Vorgang leidet unter einem Stromerzeugungs-Stoppvorgang, der ein Luftgebläse stoppt, um zu bestätigen, ob ein Luftdurchsatz verringert wird. Wenn der Luftdurchsatz verringert wird, ist der Stromerzeugungs-Stoppvorgang beendet und das Brennstoffzellenfahrzeug tritt in den Stopp-Modus ein.
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Selbst nachdem die Brennstoffzelle in den Stopp-Modus eintritt, verringert sich eine Spannung eines Brennstoffzellenstapels nicht sofort. Wenn Stauluft eingeführt wird oder keine Wasserstoff-Überführung (Wasserstoff-Crossover) vorhanden ist, wird die Spannung kontinuierlich in der Nähe einer Leerlaufspannung (Open-Circuit Voltage - OCV) gehalten, was zu einer Verschlechterung der Haltbarkeit des Stapels führt. Ferner besteht eine Notwendigkeit, um die Stapelspannung zwangsweise zu verringern, aber wenn die Stapelspannung zu niedrig gehalten wird, verschlechtert sich eine Wieder-Beschleunigung aufgrund der für eine Spannungserhöhung erforderlichen Zeit, wenn die Brennstoffzelle neu startet. Demzufolge besteht eine Notwendigkeit, den Spannungsabfall innerhalb eines Bereichs zu regeln, wo sich die Wieder-Beschleunigung nicht verschlechtert, um zu verhindern, dass die Stapelspannung in der Nähe der OCV gehalten wird.
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Unterdessen kann ein Widerstand verbunden werden, um die Spannung zu verringern, was zu der Verringerung der Kraftstoffeffizienz führt. Demzufolge wird ein Verfahren zum Erzeugen einer Ausgangsleistung der Brennstoffzelle durch eine Steuerung/Regelung eines Spannungsabfalls eines Busanschlusses zum Verringern einer Spannung der Brennstoffzelle (z.B. wenn eine Zufuhr von Luft stoppt), Verbrauchen der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle durch einen Antriebsmotor oder Hochspannungs-Hilfsmittel und zwangsweises Laden von zusätzlicher Energie mit einer Hochspannungsbatterie verwendet.
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Die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle kann durch die Regelung des Spannungsabfalls des Busanschlusses unter Verwendung eines Stromrichters/Leistungswandlers einer Hochspannungsbatterie des Fahrzeugs erzeugt werden, und da eine verfügbare Ausgangsleistung zum Laden einer Batterie begrenzt ist, wenn ein Betrag/Ausmaß des regenerativen Bremsens wesentlich ist, wird die regenerative Bremsenergie verringert, was einen Rückgang der Kraftstoffeffizienz verursachen kann. Ferner, wenn die Erzeugung der Leistung des regenerativen Bremsens und die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle nicht verringert werden, kann die Batterie überladen werden.
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Demzufolge regelt der Stand der Technik den Spannungsabfall des Busanschlusses unter Verwendung des Stromrichters nur dann, wenn keine Fahrzeuggeschwindigkeit vorhanden ist oder das derzeitige Ausmaß des regenerativen Bremsens nicht größer als der begrenzte Wert des regenerativen Bremsens ist, indem verhindert wird, dass die Batterie überladen wird und die Kraftstoffeffizienz berücksichtigt wird. Ferner kann ein Prozess zum Bestimmen, ob sich die Hochspannungsbatterie in einem ladbaren Zustand befindet, hinzugefügt werden. Mit anderen Worten wird die Regelung des Spannungsabfalls des Busanschlusses zum Erzeugen der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle und Verringern der Spannung der Brennstoffzelle durchgeführt, indem die Situation, dass der Rückgang der Kraftstoffeffizienz und das Überladen der Batterie verhindert werden können, im Voraus verstanden wird.
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Wenn jedoch die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle durch die Regelung des Spannungsabfalls des Busanschlusses nicht erzeugt werden kann, indem im Voraus auf der Grundlage der Fahrzeuggeschwindigkeit eine Spanne/Differenz des regenerativen Bremsens und ob sich die Batterie in einem ladbaren Zustand befindet, usw. bestimmt werden, kann die Regelung des Spannungsabfalls des Busanschlusses nicht durchgeführt werden, auch wenn eine minimale Ausgangsgröße der Brennstoffzelle erzeugt werden kann. Allerdings, je unzureichender die Spanne/Differenz des regenerativen Bremsens ist, desto weniger der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle kann so viel wie die unzureichende Spanne/Differenz erzeugt werden, und somit kann die Spannung der Brennstoffzelle selbst bei einer geringen Geschwindigkeit abnehmen. Demzufolge nimmt gemäß dem Stand der Technik die Spannung der Brennstoffzelle bei einer langsamen Geschwindigkeit ab oder verringert sich nicht in ausreichendem Maße, und somit kann die Haltbarkeit der Brennstoffzelle möglicherweise nicht ausreichend gewährleistet werden.
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Aus der
US 2014 / 0 295 307 A1 kennt man ein Brennstoffzellensystem umfassend eine Geräuscherfassungseinrichtung zum Erfassen der Größe des Geräusches in einer Fahrerkabine eines Brennstoffzellenfahrzeugs, in dem das Brennstoffzellensystem installiert ist; und eine Steuervorrichtung zum Steuern des Betriebs von Hilfsmaschinen. Die Steuervorrichtung führt eine Hochspannungs-Vermeidungssteuerung durch, um die von den Hilfsmaschinen verbrauchte elektrische Leistung zu erhöhen, so dass eine Energieerzeugungsspannung einer Brennstoffzelle gleich oder niedriger als ein vorbestimmter Wert wird, basierend auf dem Geräusch, das durch die Geräuscherfassungseinrichtung erfasst wird.
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Ein weiteres Brennstoffzellensystem ist aus der
US 2014 / 0 087 285 A1 bekannt, umfassend einen Elektromotor, einen Brennstoffzellenstapel, eine Brennstoffversorgungseinheit und ein Steuergerät, das ein Kraftwerk mit dem Brennstoffzellenstapel und der Brennstoffversorgungseinheit steuert. Die Steuerung umfasst ferner: eine Stapelausgabe-Antwort-Anforderungs-Berechnungseinheit, um eine Stapelausgabe-Antwort-Anforderung zu berechnen, die für den Brennstoffzellenstapel angefordert wird; eine Stapelspannungs-Einstelleinheit während des Leerlaufs, um eine untere Grenze der Stapel-Einstellspannung während des Leerlaufs einzurichten, die als eine Stapelspannung während der Ausführung des Leerlaufs eingerichtet wird, um höher zu sein, wenn die Stapelausgabe-Antwort-Anforderung größer ist, und um niedriger zu sein, wenn die Anforderung kleiner ist; und eine Betriebseinheit zum Wiederherstellen einer Stapelspannung während des Leerlaufs, um einen Wiederherstellungsvorgang auszuführen, wenn eine tatsächliche Stapelspannung während der Stapelspannung während der Ausführung des Leerlaufstopps niedriger als die untere Grenze der Stapel Setup-Spannung während des Leerlaufs.
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Außerdem offenbart die
JP 2007 - 305 412 A eine Steuervorrichtung, die einen Leerlaufzustand eines Brennstoffzellensystems steuert, das eine Brennstoffzelle zur Energieerzeugung durch Versorgung mit einem Reaktionsgas, ein Anodensystem und ein Kathodensystem zur Versorgung der Brennstoffzelle mit Reaktionsgas und ein Kühlflüssigkeitszirkulationssystem zum Zirkulieren der Kühlflüssigkeit durch die Brennstoffzelle aufweist. Die Leerlaufsteuervorrichtung des Brennstoffzellensystems ist mit einem Stoppsteuermittel versehen, um die Leerlaufzufuhr des Reaktionsgases zu der Brennstoffzelle zu stoppen, wenn festgestellt wird, dass sich das Brennstoffzellensystem in einem vorgeschriebenen Leerlaufzustand befindet, und mit einem Freigabesteuermittel, um den Leerlaufstopp aufzuheben und das Reaktionsgas der Brennstoffzelle zuzuführen, um die Stromgaserzeugung wieder zu starten, wenn festgestellt wird, dass die Systemtemperatur während des Leerlaufstopps auf eine vorgeschriebene Temperatur oder weniger gefallen ist.
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Die als Stand der Technik beschriebenen Inhalte sind lediglich vorgesehen worden, um das Verständnis für den Hintergrund der vorliegenden Erfindung zu fördern, und sollten nicht so angesehen werden, dass sie dem Stand der Technik entsprechen, der einem Fachmann bekannt ist.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und System zum Steuern/Regeln einer Spannung einer Brennstoffzelle in einem Stopp-Modus eines Brennstoffzellenfahrzeugs bereitzustellen, die in der Lage sind, die Haltbarkeit der Brennstoffzelle sicherzustellen und zu verhindern, dass die Kraftstoffeffizienz reduziert wird, indem eine Spannung aktiv verringert wird, wenn die Brennstoffzelle des Brennstoffzellenfahrzeugs stoppt.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann ein Verfahren zum Regeln einer Spannung in einem Stopp-Modus eines Brennstoffzellenfahrzeugs umfassen: Erfassen, durch einen Regler, ob eine Brennstoffzelle in einen Stopp-Modus eintritt; Berechnen, durch den Regler, eines Spannungsbefehlswerts eines Busanschlusses (Busklemme) auf der Grundlage einer verfügbaren Ladeleistung einer Batterie, die eine Höhe der in einer Hochspannungsbatterie ladbaren Energie darstellt, wenn die Brennstoffzelle in den Stopp-Modus eintritt; Betreiben, durch den Regler, eines Wandlers/Stromrichters, der zwischen der Hochspannungsbatterie und dem Busanschluss angeschlossen ist, um die Spannung des Busanschlusses derart einzustellen, dass sie dem Spannungsbefehlswert des Busanschlusses entspricht; und Erhöhen, durch den Regler, des Stromverbrauches/Energieverbrauchs einer Spannungsfeldlast (Last eines elektrischen Feldes) eines Fahrzeuges, wenn die Spannung eingestellt ist, und dann kann die durch einen Spannungssensor gemessene Spannung der Brennstoffzelle gleich oder größer als eine in einem Speicher eingestellte Referenzspannung sein, wobei eine Differenz zwischen der verfügbaren Ladeleistung der Hochspannungsbatterie und der tatsächlichen Ladeleistung in der Spannung des Busanschlusses reflektiert wird, um den Spannungsbefehlswert des Busanschlusses zu berechnen, und wobei der Spannungsbefehlswert des Busanschlusses auf der Grundlage der folgenden Gleichung berechnet wird: Spannungsbefehlswert des Busanschlusses = Spannung des Busanschlusses - K1 x (Verfügbare Ladeleistung der Batterie - Ladespannung der Batterie x Ladestrom der Batterie).
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In dem Erfassungsvorgang, wenn ein Ladezustand (State of Charge - SOC) der Batterie gleich oder größer als eine erste Referenz ist oder ein erforderliches Drehmoment des Fahrzeugs gleich oder kleiner als eine zweite Referenz ist, kann der Regler eingerichtet sein, die Brennstoffzelle zu betreiben, um in den Stopp-Modus einzutreten. Die verfügbare Ladeleistung der Batterie kann unter Verwendung eines in dem Speicher des Reglers gespeicherten Datenkennfeldes abgeleitet werden. Das Datenkennfeld kann eine Temperatur der Hochspannungsbatterie, den SOC der Hochspannungsbatterie und ob die Hochspannungsbatterie nicht mehr funktioniert (z.B. versagt oder defekt ist) als einen Eingangswert verwenden und kann die verfügbare Ladeleistung der Batterie als einen Ausgangswert verwenden.
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Batterie - Ladespannung der Batterie x Ladestrom der Batterie)
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In der Spannungseinstellung kann der Regler eingerichtet sein, um einen Zielladestrom der Hochspannungsbatterie auf der Grundlage des Spannungsbefehlswerts des Busanschlusses zu berechnen und den Wandler auf der Grundlage des Zielladestromes zu betreiben, um die Hochspannungsbatterie zu laden, um die Spannung des Busanschlusses einzustellen/anzupassen, so dass sie dem Spannungsbefehlswert des Busanschlusses entspricht. In der Erhöhung des Energieverbrauchs kann der Wandler durch Ändern des Spannungsbefehlswerts des Busanschlusses auf die in dem Speicher voreingestellte Referenzspannung betrieben werden, während der Energieverbrauch der Spannungsfeldlast des Fahrzeugs erhöht wird.
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In dem Berechnungsvorgang kann der Regler eingerichtet sein, um den langsam/allmählich abfallenden Spannungsbefehlswert des Busanschlusses auf der Grundlage einer in dem Speicher voreingestellten Steigung zu berechnen; und in der Spannungseinstellung kann der Regler eingerichtet sein, um den als Ziel gesetzten Ladestrom der Hochspannungsbatterie auf der Grundlage des Spannungsbefehlswerts des Busanschlusses zu berechnen, den Wandler auf der Grundlage des Zielladestromes zu betreiben und den Zielladestrom auf einen Maximalwert eines Batterieladegrenzstromes auf der Grundlage der verfügbaren Ladeleistung der Batterie zu begrenzen. Der Batterieladegrenzstrom kann durch Dividieren der verfügbaren Ladeleistung der Batterie durch die Ladespannung der Batterie berechnet werden. In der Erhöhung des Energieverbrauchs kann der Energieverbrauch der Spannungsfeldlast des Fahrzeugs auf der Grundlage einer Zunahme des Fahrens und eines Betriebs mit geringer Effizienz der Hochspannungs-Nebenaggregate einschließlich eines Luftgebläses, eines Wasserstoffrückführungsgebläses oder einer Kühlwasserpumpe erhöht werden.
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Figurenliste
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Die obigen und weiteren Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nun im Detail unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele derselben beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, welche hierin nachstehend nur zur Veranschaulichung angegeben sind und somit für die vorliegende Erfindung nicht einschränkend sind. In den Figuren zeigen/beschreiben:
- 1 ein Diagramm, das ein System eines Brennstoffzellenfahrzeugs zum Durchführen eines Verfahrens zum Regeln einer Spannung einer Brennstoffzelle in einem Stopp-Modus eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
- 2 ein Flussdiagramm des Verfahrens zum Regeln einer Spannung einer Brennstoffzelle in einem Stopp-Modus eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
- 3 und 4 Blockdiagramme des Verfahrens zum Regeln einer Spannung einer Brennstoffzelle in einem Stopp-Modus eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Es versteht sich, dass der Ausdruck „Fahrzeug“ oder „Fahrzeug-“ oder andere gleichlautende Ausdrücke wie sie hierin verwendet werden, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen wie z.B. Personenkraftwagen einschließlich Sports Utility Vehicles (SUV), Busse, Lastwägen, verschiedene Nutzungsfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, einschließlich einer Vielfalt von Booten und Schiffen, Luftfahrzeugen und dergleichen einschließen, und Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-In-Hybridelektrofahrzeuge, wasserstoffgetriebene Fahrzeuge und andere Fahrzeuge mit alternativen Kraftstoff umfassen (beispielsweise Kraftstoff, der von anderen Quellen als Erdöl gewonnen wird). Wie hierin Bezug genommen wird, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, das zwei oder mehr Antriebsquellen aufweist, wie zum Beispiel sowohl benzinbetriebene als auch elektrisch angetriebene Fahrzeuge.
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Obwohl das Ausführungsbeispiel derart beschrieben wird, dass es eine Mehrzahl von Einheiten verwendet, um den beispielhaften Prozess durchzuführen, versteht es sich, dass die beispielhaften Prozesse ebenfalls durch ein oder eine Mehrzahl von Modulen durchgeführt werden können. Darüber hinaus versteht es sich, dass sich der Ausdruck Steuerung auf eine Hardware-Vorrichtung bezieht, die einen Speicher und einen Prozessor umfasst. Der Speicher ist eingerichtet, um die Module zu speichern, und der Prozessor ist insbesondere eingerichtet, um die besagten Module auszuführen, um einen oder mehrere Prozesse durchzuführen, die weiter unten beschrieben werden.
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Darüber hinaus kann die Steuerlogik der vorliegenden Erfindung als nichtflüchtige computerlesbare Medien auf einem computerlesbaren Medium ausgeführt werden, das ablauffähige Programmbefehle umfasst, die durch einen Prozessor, eine Steuerung/Steuereinheit oder dergleichen ausgeführt werden. Beispiele von computerlesbaren Speichermedien umfassen in nicht einschränkender Weise ROM, RAM, Compact-Disc (CD)-ROMs, Magnetbänder, Floppydisks, Flash-Laufwerke, Smart Cards und optische Datenspeichervorrichtungen. Das computerlesbare Aufzeichnungsmedium kann ebenfalls in netzgekoppelten Computersystemen dezentral angeordnet sein, so dass das computerlesbare Medium in einer verteilten Art und Weise gespeichert und ausgeführt wird, z.B. durch einen Telematik-Server oder ein Controller Area Network (CAN) .
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Die hierin verwendete Terminologie ist zum Zwecke der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen vorgesehen und ist nicht dazu bestimmt, die Erfindung einzuschränken. Wie hierin verwendet, sind die Singularformen „ein“, „eine/einer“ und „der/die/das“ dazu vorgesehen, dass sie ebenso die Pluralformen umfassen, wenn aus dem Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes hervorgeht. Es versteht sich ferner, dass die Ausdrücke „aufweisen“ und/oder „aufweisend“, wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, die Anwesenheit der angegebenen Merkmale, Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Komponenten beschreiben, aber nicht das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einen oder mehreren Merkmalen, Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließen. Wie hierin verwendet, umfasst der Ausdruck „und/oder“ jede und sämtliche Kombinationen von einem oder mehreren der zugeordneten aufgeführten Elemente.
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Sofern nicht ausdrücklich angegeben oder aus dem Kontext ersichtlich, wird der Begriff „ungefähr“, wie er hierin verwendet wird, derart verstanden, dass er innerhalb eines Bereichs mit normgemäßer Toleranz im Stand der Technik liegt, zum Beispiel innerhalb 2 Standardabweichungen der Mittelwerte. „Ungefähr“ kann derart verstanden werden, dass es innerhalb 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0,5%, 0,1%, 0,05% oder 0,01% des angegebenen Werts liegt. Soweit es sich nicht anderweitig aus dem Kontext ergibt, werden alle hierin bereitgestellten numerischen Werte durch den Begriff „ungefähr“ verändert.
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1 zeigt ein Diagramm, das ein System eines Brennstoffzellenfahrzeugs zum Durchführen eines Verfahrens zum Regeln einer Spannung einer Brennstoffzelle in einem Stopp-Modus eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt, 2 zeigt ein Flussdiagramm des Verfahrens zum Regeln einer Spannung einer Brennstoffzelle in einem Stopp-Modus eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und 3 und 4 zeigen Blockdiagramme des Verfahrens zum Regeln einer Spannung einer Brennstoffzelle in einem Stopp-Modus eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Die vorliegende Erfindung schlägt eine Steuerung/Regelung zum Stoppen einer Stromerzeugung einer Brennstoffzelle beim Fahren und Verringern einer Spannung der Brennstoffzelle auf der Grundlage einer Spannungsregelung eines Busanschlusses unter Verwendung eines Stromrichters vor, nachdem die Stromerzeugung stoppt. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird ein Verfahren zum Korrigieren einer Spannung oder ein Verfahren zum Begrenzen eines Stromes des Stromrichters durch Berücksichtigen einer verfügbaren Ladeleistung einer Batterie und einer tatsächlichen Ladeleistung beim Durchführen der Spannungsregelung des Busanschlusses verwendet, um den Rückgang/Verlust der Kraftstoffeffizienz und das Überladen der Batterie zu verhindern und um einen Eintritt der spannungsvermindernden Regelung der Brennstoffzelle auszudehnen. Ferner, wenn die Verfahren nicht in der Lage sind, den Spannungsrückgang der Brennstoffzelle zu regeln, wird ein Verfahren zum zeitweisen Erhöhen des Verbrauchs von Hochspannungs-Nebenaggregaten verwendet, um eine Regelung durchzuführen, um die Vermeidung der Hochspannung der Brennstoffzelle auszudehnen. Demzufolge kann die Haltbarkeit der Brennstoffzelle verbessert werden.
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1 zeigt ein Diagramm, das ein System eines Brennstoffzellenfahrzeugs zum Durchführen eines Verfahrens zum Regeln einer Spannung einer Brennstoffzelle in einem Stopp-Modus eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt, und stellt ein Hybridsystem einer Brennstoffzelle 100 und eine Hochspannungsbatterie 200 dar. Die Hochspannungsbatterie 200 kann einen Wandler 300 umfassen, der ein bidirektionaler Stromrichter ist, der eingerichtet ist, um eine Ausgangsleistung/Leistungsabgabe der Hochspannungsbatterie einzustellen. Es gibt Lasten elektrischer Felder (z.B. elektronische Hochspannungslast, Niederspannungsbatterie, elektronische Niederspannungslast, Niederspannungs-Stromrichter, der eine Hochspannung in eine Niederspannung umwandelt) außer einem Motor/Inverter. Zusätzlich kann die Brennstoffzelle umfassen eine Diode, um zu verhindern, dass Rückstrom in die Brennstoffzelle fließt, und ein Relais, um die Brennstoffzelle 100 mit einem Busanschluss 500 zu verbinden. Das Relais kann kontinuierlich verbunden sein, während ein Fahrzeug gefahren/angetrieben wird und während eines Startes/Stopps, das die vorliegende Technologie darstellt, und kann bei ausgeschalteter Zündung des Fahrzeugs oder Notabschaltung getrennt werden. Ferner kann ein Regler 600 eingerichtet sein, um die Vorrichtungen zu betreiben, und der Regler umfasst einen Prozessor 620 und einen Speicher 640, der eingerichtet ist, um verschiedene Arten von Informationen im Voraus zu speichern oder zu sammeln.
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2 zeigt ein Flussdiagramm des Verfahrens zum Regeln einer Spannung einer Brennstoffzelle in einem Stopp-Modus eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und das Verfahren zum Regeln einer Spannung in einem Stopp-Modus eines Brennstoffzellenfahrzeugs kann umfassen: Erfassen, durch einen Regler, ob eine Brennstoffzelle in einen Stopp-Modus eintritt (S100); Berechnen, durch den Regler, eines Spannungsbefehlswerts eines Busanschlusses auf der Grundlage einer verfügbaren Ladeleistung einer Batterie, die eine Höhe einer in einer Hochspannungsbatterie ladbaren Energie darstellt, wenn die Brennstoffzelle in den Stopp-Modus eintritt (S200); Betreiben, durch den Regler, eines Wandlers, der zwischen der Hochspannungsbatterie und dem Busanschluss angeschlossen ist, um die Spannung des Busanschlusses einzustellen, so dass sie dem Spannungsbefehlswert des Busanschlusses entspricht (S300); und Erhöhen, durch den Regler, des Stromverbrauches/Energieverbrauches einer Last des elektrischen Feldes (Spannungsfeldlast) eines Fahrzeugs, wenn die Spannung eingestellt ist, und dann kann die Spannung der durch einen Spannungssensor gemessenen Spannung gleich oder größer als eine in einem Speicher voreingestellte Referenzspannung sein (S400 und S500) .
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Die vorliegende Erfindung verwendet ein Verfahren zum Korrigieren eines Spannungsbefehlswerts auf der Grundlage einer verfügbaren Ladeleistung einer Hochspannungsbatterie ohne Bestimmen einer verringernden Sperr-Steuerbedingung der Spannung des Busanschlusses im Voraus. Wenn der Spannungsbefehlswert eingestellt oder korrigiert wird, kann die verfügbare Ladeleistung der Hochspannungsbatterie reduziert werden (z.B. Ausfall einer Batterie, plötzliche Erhöhung der Temperatur, plötzliche Verringerung der Temperatur, übermäßiger SOC), oder wenn ein Ausmaß des regenerativen Bremsens wesentlich ist, kann der Spannungsbefehlswert des Busanschlusses auf mehr als die Referenzspannung in der Nähe einer voreingestellten OCV gehalten, und somit kann die Spannung der Brennstoffzelle ebenfalls hoch gehalten werden. Insbesondere kann ein Verfahren zum Durchführen einer Steuerung zum Verringern der Spannung einer Brennstoffzelle mit einer anfänglichen Referenzspannung ohne Korrigieren des Spannungsbefehlswerts der Steuerung zum Verringern der Spannung des Busanschlusses, aber Erhöhen der Zahl der in Betrieb befindlichen Hochspannungs-Nebenaggregate usw. angewendet werden, um die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle mit der erhöhten Zahl von in Betrieb befindlichen Nebenaggregaten zu ergänzen, wodurch die Regelung zum Verringern der Spannung der Brennstoffzelle durchgeführt wird.
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Die Erhöhung der Zahl von in Betrieb befindlichen Nebenaggregaten kann einen Rückgang/Verlust der Kraftstoffeffizienz verursachen und demzufolge kann die Erhöhung der Zahl von in Betrieb befindlichen Nebenaggregaten nur dann durchgeführt werden, wenn die Hochspannung der Brennstoffzelle für eine vorgegebene Zeitdauer beibehalten wird (z.B. wenn es wahrscheinlich ist, dass sich eine Hochspannung verschlechtert). Wenn die Spannung der Brennstoffzelle gleich oder kleiner als eine eingestellte Spannung ist, kann eine Steuerung/Regelung zum Stoppen der Erhöhung der Zahl von Nebenaggregaten, normalen Ansteuern/Betreiben der Nebenaggregate und Beibehalten des Spannungsbefehlswerts des Busanschlusses durchgeführt werden. Insbesondere kann die Einleitung von Stauluft durch Absperren oder Schließen einer Luftabsperrventils beim Betreiben eines Gebläses verhindert werden, um zu verhindern, dass die Spannung der Brennstoffzelle erneut ansteigt.
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Zunächst kann der Regler eingerichtet sein, um zu erfassen, ob die Brennstoffzelle in den Stopp-Modus eintritt (S100). Wenn der SOC der Batterie gleich oder größer als eine erste Referenz ist oder das erforderliche Drehmoment des Fahrzeugs gleich oder kleiner als eine zweite Referenz ist, kann der Regler eingerichtet sein, zu erkennen, dass die Stromerzeugung/Energieerzeugung der Brennstoffzelle unnötig ist, um die Brennstoffzelle zu betreiben, um in den Stopp-Modus einzutreten. Zusätzlich kann der Regler eingerichtet sein, den Spannungsbefehlswert des Busanschlusses auf der Grundlage der verfügbaren Ladeleistung der Batterie, die eine Höhe der in einer Hochspannungsbatterie ladebaren Energie darstellt, wenn die Brennstoffzelle in den Stopp-Modus eintritt, zu berechnen (S200). Mit anderen Worten kann die Regelung zum Abnehmen der Spannung (z.B. Spannungseinstellung) auf der Grundlage von nur der ladbaren Höhe der Hochspannungsbatterie durchgeführt werden, im Gegensatz zu dem Ausmaß des regenerativen Bremsens oder des SOC der Hochspannungsbatterie, und demzufolge kann eine direkte und verfeinerte Regelung durchgeführt werden.
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Insbesondere kann die verfügbare Ladeleistung von dem in dem Speicher des Reglers gespeicherten Datenkennfeld abgeleitet werden. Das Datenkennfeld kann die Temperatur der Hochspannungsbatterie, den SOC der Hochspannungsbatterie und ob die Hochspannungsbatterie ausfällt als einen Eingangswert verwenden und die verfügbare Ladeleistung der Hochspannungsbatterie als einen Ausgangswert verwenden. Diese Werte können in Echtzeit auf der Grundlage einer Gleichung oder von Sensordaten berechnet werden und können als ein Satz von Datenwerten konfiguriert/ausgeführt werden, die durch ein Experiment, Analyse oder dergleichen voreingestellt werden.
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Ferner kann in dem Berechnungsvorgang eine Differenz zwischen der verfügbaren Ladeleistung der Hochspannungsbatterie und der tatsächlichen Ladeleistung in der Spannung des Busanschlusses reflektiert werden, um den Spannungsbefehlswert des Busanschlusses zu berechnen. Insbesondere kann der Spannungsbefehlswert des Busanschlusses auf der Grundlage der folgenden Gleichung 1 berechnet werden.
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Der Regler kann ferner eingerichtet sein, um einen Wandler, der zwischen der Hochspannungsbatterie und dem Busanschluss angeschlossen ist, zu betreiben, um die Spannung des Busanschlusses derart einzustellen, so dass sie dem Spannungsbefehlswert des Busanschlusses entspricht. In der Spannungseinstellung kann der Regler eingerichtet sein, um den zielgerichteten Ladestrom der Hochspannungsbatterie auf der Grundlage des Spannungsbefehlswert des Busanschlusses zu berechnen und den Wandler auf der Grundlage des zielgerichteten Ladestromes zu betreiben, um die Hochspannungsbatterie zu laden, um die Spannung des Busanschlusses derart einzustellen, dass sie dem Spannungsbefehlswert des Busanschlusses entspricht.
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Zusätzlich kann der Regler eingerichtet sein, um den Energieverbrauch der Spannungsfeldlast des Fahrzeugs zu erhöhen, wenn die Spannung eingestellt wird (S500), und dann kann die durch den Spannungssensor gemessene Spannung der Brennstoffzelle gleich oder größer als die in dem Speicher voreingestellte Referenzspannung sein (S400). In der Energieverbrauchserhöhung kann der Wandler durch Erhöhen des Energieverbrauchs der Spannungsfeldlast des Fahrzeugs und Ändern des Spannungsbefehlswerts des Busanschlusses auf die in dem Speicher voreingestellte Referenzspannung betrieben werden.
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Der Prozess wird unter Bezugnahme auf 3 genauer beschrieben. Wie in 3 gezeigt, kann der Spannungsbefehl auf der Grundlage der verfügbaren Ladeleistung der Batterie, wie in der obigen Gleichung 1 korrigiert werden. Mit anderen Worten kann die Differenz zwischen der verfügbaren Ladeleistung der Hochspannungsbatterie und der tatsächlichen Ladeleistung, die in der tatsächlichen Spannung des Busanschlusses widergespiegelt wird, korrigiert werden. Durch die obige Berechnung von Gleichung 1, wenn die tatsächliche Ladeleistung größer als die verfügbare Ladeleistung ist, kann der Spannungsbefehl größer als die tatsächliche Spannung des Busanschlusses sein, und wenn die tatsächliche Ladeleistung kleiner als die verfügbare Ladeleistung ist, kann der Spannungsbefehl kleiner als die tatsächliche Spannung des Busanschlusses sein, aber der Minimalwert kann derart eingestellt werden, dass er der Referenzspannung entspricht, und somit kann sich der Spannungsbefehl nur auf die Referenzspannung verringern. Insbesondere kann die plötzliche Änderung des Spannungsbefehls durch Begrenzen der abfallenden und ansteigenden Steigungen des Spannungsbefehlswerts verhindert werden. Wenn der Spannungsbefehlswert eingestellt ist, kann der Zielladestrom der Batterie zum Weiterverfolgen/Verfolgen (z.B. Erreichen) des Spannungsbefehls berechnet werden und der Ladestrom der Batterie kann durch eine IGBT- (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode) Schaltdauer-Steuerung des Wandlers unter Verwendung einer Stromsensorrückkopplung der Batterie erzeugt werden.
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Das Verfahren zum Einstellen des Spannungsbefehls der Hochspannungsbatterie unter Verwendung des Kennfeldes auf der Grundlage von Eigenschaften der Batterie berücksichtigt nicht in ausreichendem Maße Eigenschaften von Lasten/Verbrauchern des Fahrzeugs und demzufolge kann, auch wenn sich die Spannung der Brennstoffzelle verringern kann, die Spannungsverringerung nicht erfolgen. Wie in der vorliegenden Erfindung ist das Verfahren zum Korrigieren des Spannungsbefehls unter Berücksichtigung der tatsächlichen Spannung des Busanschlusses, der tatsächlichen Lade- und Entladeleistung der Batterie und des verfügbaren Leistungskennfeldes der Batterie ein genaueres und effizienteres Verfahren zum Erhöhen einer Frequenz zum Verhindern des Verlustes der Kraftstoffeffizienz oder des Überladens der Batterie und Herabsetzen der Spannung der Brennstoffzelle, um die Haltbarkeit der Brennstoffzelle zu verbessern.
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Weiterhin kann gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in dem Berechnungsprozess der Regler eingerichtet sein, um den Spannungsbefehlswert des Busanschlusses, der allmählich abnimmt, auf der Grundlage der in dem Speicher voreingestellten Steigung zu berechnen, und in der Spannungseinstellung kann der Regler eingerichtet sein, um den Zielladestrom der Hochspannungsbatterie auf der Grundlage des Spannungsbefehlswert des Busanschlusses zu berechnen, den Wandler auf der Grundlage des Zielladestromes zu betreiben und den Zielladestrom auf den Maximalwert des Ladegrenzstromes der Batterie auf der Grundlage der verfügbaren Ladeleistung der Batterie zu begrenzen. Ferner kann der Ladegrenzstrom der Batterie durch Dividieren der verfügbaren Ladeleistung der Batterie durch die Ladespannung der Batterie berechnet werden.
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Die ist im Detail in 4 dargestellt. Unter Bezugnahme auf 4 wird anstelle des Verfahrens zum Korrigieren des Spannungsbefehlswerts auf der Grundlage der verfügbaren Ladeleistung der Batterie das Verfahren zum Einstellen des Ladestrom-Grenzwertes der Steuerung des Wandlers verwendet. Wenn die verfügbare Ladeleistung der Hochspannungsbatterie reduziert wird oder der Betrag des regenerativen Bremsens wesentlich ist, kann der Spannungsbefehlswert auf die Referenzspannung festgelegt werden und die Ladestrombegrenzung des Wandlers kann eingestellt werden, wobei die tatsächliche Spannung (gleich der Spannung der Brennstoffzelle) auf mehr als den eingestellten Spannungsbefehl (Referenzspannung) des Busanschlusses gehalten werden kann. Wenn die Spannung (Spannung der Brennstoffzelle) des Busanschlusses auf mehr als die Referenzspannung gehalten wird, ist das Verfahren zum Erhöhen der Zahl der Hochspannungs-Nebenaggregate zum Verringern der Spannung der Brennstoffzelle auf die Referenzspannung oder weniger wie oben beschrieben.
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Insbesondere kann der Spannungsbefehlswert als die endgültige Referenzspannung durch Verringern des Spannungsbefehls mit einer konstanten Steigung ohne Korrigieren des Spannungsbefehlswerts erzeugt werden, und der Befehl des Ladestrom-Grenzwertes kann ebenfalls unter Verwendung des Datenkennfeldes erzeugt werden. Der Ladegrenzstrom der Batterie kann durch Dividieren der verfügbaren Ladeleistung der Batterie durch die Ladespannung der Batterie wie in 4 dargestellt berechnet werden. Unter Verwendung des endgültigen Spannungsbefehlswerts und des Ladegrenz-Strombefehls kann die Stromregelung zum Verfolgen des als Ziel gesetzten Stromes durchgeführt werden.
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Darüber hinaus kann die Steuerung/Regelung zum Begrenzen des tatsächlichen Lade-/Entladestromes der Batterie auf der Grundlage des Ladestrom-Grenzbefehls durchgeführt werden. Im Gegensatz zu dem oben beschriebenen Verfahren kann das Verfahren zum Regeln der Strombegrenzung den Spannungsbefehlswert korrigieren. Mit anderen Worten kann die tatsächliche Spannung des Busanschlusses automatisch erhöht werden, so dass sie größer als die Referenzspannung ist, indem der Lade- und Entladestrom der Batterie auf der Grundlage des Zustandes der Hochspannungsbatterie oder des Lastzustandes begrenzt werden, wenn die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle nicht erzeugt werden kann, auch wenn der Spannungsverringerungsbefehl des Busanschlusses so eingestellt ist, dass er der Referenzspannung entspricht.
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Außerdem kann die Regelung der Spannung des Busanschlusses unter Verwendung des Wandlers den Zielladestrom zum Weiterverfolgen des eingestellten Spannungsbefehls des Busanschlusses berechnen, und der Regler kann das Verfahren zum Regeln einer Wandler-IGBT-Schaltdauer verwenden, indem ein tatsächlicher Stromsensorwert I zum Erzeugen des Zielladestromes an ihn zurückgekoppelt wird. Die Information in Bezug auf die verfügbare Ladeleistung der Batterie auf der Grundlage der Temperatur oder des SOC kann in dem Speicher des Reglers gespeichert werden und kann in Echtzeit auf der Grundlage der Temperatur oder des SOC berechnet werden. Ein Spannungssensor, der eingerichtet ist, um die tatsächliche Spannung des Busanschlusses zu messen, und ein Spannungssensor, der eingerichtet ist, um die Spannung der Batterie zu messen, können ebenfalls in einer Schaltung umfasst sein.
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Als ein repräsentatives Beispiel der Hochspannungsfeldlast kann das Nebenaggregat der Brennstoffzelle angesehen werden. Das Nebenaggregat kann ein Luftgebläse, eine Wasserpumpe, ein Wasserstoffrückführungsgebläse usw. sein. Der Betriebszustand des Brennstoffzellensystems aufgrund der Erhöhung der Ausgangsleistung des Hochspannungs-Nebenaggregats sollte nicht geändert werden. Zum Beispiel können die Umdrehungen pro Minute (U/min - Drehzahl) des Luftgebläses erhöht werden, während die Einleitung und Ausleitung von Luft in und von dem Brennstoffzellensystem verhindert wird, oder die Drehzahl der Wasserpumpe kann erhöht werden, während verhindert wird, dass das Brennstoffzellensystem gekühlt wird. Demzufolge, wenn ein Luft-, Kühlwasser- oder Wasserstoff-Bypass-Ventil des Stapels vorgesehen ist, kann das Betreiben des Nebenaggregats erhöht werden, während die Einleitung von Luft, Wasserstoff oder Kühlwasser in den Stapel verhindert werden kann.
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Ein Stapel-Bypass-Ventil ist ein Ventil, das eingerichtet ist, um wahlweise/selektiv das Kühlwasser in den Stapel oder die Lastvorrichtung einzuleiten, und das Verfahren zum Betreiben des Stapel-Bypass-Ventils, um zu verhindern, dass das Kühlwasser in den Stapel eingeleitet wird, und um die Drehzahl der Kühlwasserpumpe zu erhöhen, kann verwendet werden. Dies kann in einer ähnlichen Weise zu dem Luftgebläse oder dem Wasserstoffrückführungsgebläse angewendet werden. Demzufolge kann das Bypass-Ventil in einem Luftversorgungssystem oder einem Wasserstoffrückführungssystem angeordnet sein.
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Ferner kann auch ein Verfahren zum Betreiben der Hochspannungs-Nebenaggregate in einer Richtung zum Erhöhen eines Wärmeverlustes der Hochspannungs-Nebenaggregate durch den Betrieb der Hochspannungs-Nebenaggregate mit geringer Effizienz verwendet werden, um die Verbrauchsleistung der Nebenaggregate in dem Zustand zu erhöhen, in dem Luft / Wasserstoff / Kühlwasser nicht zugeführt wird. Zusätzlich zu dem Hochspannungs-Nebenaggregat zum Betreiben des Brennstoffzellensystems kann der Verbrauch der Hochspannungs-Nebenaggregate (z.B. Luftkompressor oder Heizvorrichtung, die mit einer Klimaanlage/Klimatisierung in dem Fahrzeug in Zusammenhang stehen, Niederspannungs-Stromrichter zum Laden einer 12V-Niederspannungsbatterie), die in dem Fahrzeug erforderlich sind, erhöht werden. Die Erhöhung der Zielladespannung des Niederspannungs-Stromrichters zum Laden der Niederspannungsbatterie auf ungefähr 14 bis 15V mit mehr als 12V kann ein Beispiel darstellen.
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In dem Spannungsregelverfahren, wie es oben beschrieben wird, kann die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle, die durch die Regelung zum Verringern der Spannung des Busanschlusses erzeugt wird, als Antriebsleistung des Fahrzeugs verbraucht werden, wenn die Antriebsleistung des Fahrzeugs in dem Stopp-Modus-Eintrittszustand der Brennstoffzelle erzeugt wird, um die Spannung der Brennstoffzelle zu entfernen, und in dem Zustand, in dem es keine Antriebsleistung des Fahrzeugs gibt, kann die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle, die durch die Regelung zum Verringern der Spannung des Busses erzeugt wird, für das Laden der Batterie verbraucht werden, um die Spannung der Brennstoffzelle zu entfernen.
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Ferner, wenn das Ausmaß des regenerativen Bremsens wesentlich ist, wenn die Brennstoffzelle in den Stopp-Modus eintritt, kann die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle, die durch die Regelung zum Verringern der Spannung des Busanschlusses erzeugt wird, durch die Regelung ergänzt werden, um die Nebenaggregate zusätzlich zu stärken, wodurch die Spannung der Brennstoffzelle verringert wird.
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Das Verfahren zum Durchführen der Regelung zum Verringern der Spannung des Busanschlusses, nachdem die Stromerzeugung der Brennstoffzelle stoppt, ist hinsichtlich der Kraftstoffeffizienz vorteilhafter, da die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle zeitweise erzeugt wird, im Vergleich zu dem Verfahren zum Begrenzen des oberen Spannungswertes des Busanschlusses, um zu verhindern, dass die Spannung der Brennstoffzelle auf den Hochspannungsbereich in dem Zustand zunimmt, in dem die Stromerzeugung der Brennstoffzelle beibehalten wird. Um die Spannung des Busanschlusses zu verringern, wenn die Stromerzeugung beibehalten wird, kann die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle kontinuierlich erzeugt werden, und somit kann die Batterie übermäßig geladen werden, wodurch der Verlust der Kraftstoffeffizienz verursacht wird. Ferner, nachdem die Stromerzeugung stoppt, kann die Brennstoffzelle aufgrund einer Wasserstoffüberführung (Wasserstoff-Crossover) auf natürliche Weise entladen werden, um die Spannung zu reduzieren, und der Wasserstoff, der aufgrund der Wasserstoffüberführung ausgetragen wird, erzeugt die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle durch die Regelung zum Verringern der Spannung des Busanschlusses, und somit lädt die Ausgangsleistung die Batterie oder kann durch die Nebenaggregate des Fahrzeugs verbraucht werden, wodurch die Kraftstoffeffizienz verbessert wird.
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Gemäß dem Verfahren zum Regeln einer Spannung einer Brennstoffzelle in einem Stopp-Modus eines Brennstoffzellenfahrzeugs der vorliegenden Erfindung kann es möglich sein, die Haltbarkeit der Brennstoffzelle zu gewährleisten und zu verhindern, dass die Kraftstoffeffizienz verringert wird, indem die Spannung aktiv verringert wird, wenn die Brennstoffzelle des Brennstoffzellenfahrzeugs stoppt. Ferner kann es möglich sein, die Haltbarkeit der Brennstoffzelle in ausreichender Weise zu sichern, indem die Spannung der Brennstoffzelle schneller und sicherer zu verringert wird, während die Reduzierung der Kraftstoffeffizienz und das Überladen der Hochspannungsbatterie verhindert werden.
