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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems zum Betreiben einer Last unter Verwendung von parallel vorgesehenen Stromquellen (Brennstoffzelle und Stromspeichervorrichtung), sowie ein Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellenautomobils in einem Fall, wo die Last ein Traktionsmotor ist, sowie ein Brennstoffzellenfahrzeug zum Ausführen der obigen Steuerverfahren.
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Beschreibung der verwandten Technik
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In einem in der
JP 2011-205735 A offenbarten Brennstoffzellenautomobil wird die Brennstoffzellenspannung mit einem Brennstoffzellenwandler hochgestuft und wird die Stromspeichervorrichtung-Spannung mit einem Stromspeichervorrichtung-Wandler hochgestuft. Diese Spannungen werden zusammengeführt, um eine zusammengeführte elektrische Energie zu erzeugen, und die zusammengeführte elektrische Energie wird zum Antrieb eines Fahrzeugmotors durch einen Inverter benutzt (Absätze [0019] und [0020] der
JP 2011-205735 A ).
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Gemäß Absatz [0031] der
JP 2011-205735 A wird der Betrieb des Brennstoffzellenwandlers bei sofortigem Stopp des Fahrzeugmotors gestoppt, und werden die Brennstoffzelle und der Inverter direkt elektrisch miteinander verbunden (dieser Zustand wird als „Direktverbindungszustand” bezeichnet). Ferner wird, gemäß der Offenbarung dieser Schrift, in diesem Direktverbindungszustand normalerweise die Inverterklemmenspannung signifikant höher als die Leerlaufspannung (OCV) der Brennstoffzelle. Daher findet die Stromerzeugung der Brennstoffzelle nicht statt, und somit wird die durch die Stromerzeugung erzeugte überschüssige elektrische Energie der Stromspeichervorrichtung durch den Stromspeicherwandler nicht zugeführt. Demzufolge können nachteilige Wirkungen auf den Stromspeichervorrichtung-Wandler oder den Inverter verringert werden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Jedoch ist die OCV der Brennstoffzelle nicht konstant, und ändert sich in Abhängigkeit vom Alterungsgrad der Brennstoffzelle und der Temperatur. Daher hat sich herausgestellt, dass auch in dem Fall, wo die Brennstoffzelle und der Inverter in den Direktverbindungszustand versetzt werden, die Inverterklemmenspannung nicht auf die OCV der Brennstoffzelle angehoben werden könnte.
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Wenn zum Beispiel, wie im Stand der Technik, die Umgebungstemperatur niedrig wird, wie etwa eine Temperatur unterhalb dem Gefrierpunkt, wird in der Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzelle, der sogenannten PEM-Brennstoffzelle, die Feuchtigkeit der Elektrolytmembran durch Spülung verringert, und steigt die OCV an.
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Falls die Inverterklemmenspannung nicht auf die OCV der Brennstoffzelle angehoben wird, nähert sich, im Direktverbindungszustand, die Brennstoffzellenspannung der Inverterklemmenspannung an, und demzufolge könnte es nicht möglich sein, die elektrische Energie der Brennstoffzelle zu unterbrechen.
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Da in diesem Fall die überschüssige elektrische Energie der Brennstoffzelle der Stromspeichervorrichtung durch den Stromspeichervorrichtung-Wandler zugeführt wird, könnte der Stromspeichervorrichtung-Wandler beeinträchtigt werden, und es könnte eine Verschlechterung der Stromspeichervorrichtung durch Überladen derselben die nachteilige Folge sein.
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Wenn, gemäß dem Absatz [0032] der
JP 2011-205735 A , in einem Zustand, wo der Motor plötzlich gestoppt wird, die Inverterklemmenspannung niedriger ist als die OCV der Brennstoffzelle, ist es auch möglich, eine solche Steuerung durchzuführen, dass ein Befehlswert zum Setzen der Inverterklemmenspannung auf einen Wert oberhalb der OCV geändert wird.
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Jedoch könnte die überschüssige elektrische Energie der Brennstoffzelle ein Überladen der Stromspeichervorrichtung bewirken, unabhängig davon, ob der Motor plötzlich gestoppt wird. Die
JP 2011-205735 A spricht dieses Problem an, und enthält keinerlei Offenbarung über etwaige Mittel zur Lösung des Problems.
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Die vorliegende Erfindung ist zur Lösung dieses Problems gemacht worden, und Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems, ein Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellenautomobils sowie ein Brennstoffzellenautomobil anzugeben, womit es möglich ist, ein Überladen etc. einer Stromspeichervorrichtung durch von einer Brennstoffzelle erzeugte überschüssige elektrische Energie zu verhindern.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern/Regeln eines Brennstoffzellensystems angegeben. Das Brennstoffzellensystem enthält eine Brennstoffzelle, die konfiguriert ist, um eine Brennstoffzellenspannung als Primärspannung zu erzeugen; eine Stromspeichervorrichtung, die konfiguriert ist, um eine Stromspeichervorrichtung-Spannung als andere Primärspannung zu erzeugen; eine Lasttreibereinheit, der eine Sekundärspannung zugeführt wird, wobei die Lasttreibereinheit zum Antrieb einer Last konfiguriert ist; einen ersten Wandler, der zwischen der Stromspeichervorrichtung und der Lasttreibereinheit vorgesehen und konfiguriert ist, um eine Spannungswandlung zwischen der Stromspeichervorrichtung-Spannung und der Sekundärspannung durchzuführen; und einen zweiten Wandler, der zwischen der Brennstoffzelle und der Lasttreibereinheit vorgesehen und konfiguriert ist, um eine Spannungswandlung zwischen der Brennstoffzellenspannung und der Sekundärspannung durchzuführen. Das Verfahren enthält: einen Sekundärspannungs-Hochstufschritt zum Steuern/Regeln des ersten Wandlers, um hierdurch zu erlauben, dass die Sekundärspannung höher wird als die Brennstoffzellenspannung, ohne einer Änderung einer für die Last angeforderten elektrischen Energie zu folgen.
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In der vorliegenden Erfindung ist es durch Steuern/Regeln der Klemmenspannung der Lasttreibereinheit, welche die Sekundärspannung ist, dass sie höher wird als die Brennstoffzellenspannung, möglich, die Ausgabe von der Brennstoffzelle zu unterbrechen. Demzufolge wird es möglich, ein Überladen, etc., der Stromspeichervorrichtung mit von der Brennstoffzelle erzeugter überschüssiger elektrischer Energie zu vermeiden.
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Ferner enthält das Verfahren vor dem Sekundärspannungs-Hochstufschritt, einen Stromspeichervorrichtung-Ladezustand-Bestimmungsschritt zum Bestimmen, ob das Laden der Stromspeichervorrichtung mit von der Brennstoffzelle erzeugter elektrischer Energie in einem akzeptablen Zustand ist oder nicht. Wenn bestimmt wird, dass das Laden der Stromspeichervorrichtung mit der von der Brennstoffzelle erzeugten elektrischen Energie nicht in einem akzeptablen Zustand ist, wird der Sekundärspannungs-Hochstufschritt durchgeführt. Auf diese Weise ist es möglich, das Laden der Stromspeichervorrichtung mit der von der Brennstoffzelle erzeugten elektrischen Energie zu unterbrechen.
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Insbesondere wird bevorzugt in dem Stromspeichervorrichtung-Ladezustand-Bestimmungsschritt ein Ladezustand, d. h. SOC, der Stromspeichervorrichtung erfasst, und wenn der erfasste SOC gleich oder größer als ein SOC-Schwellenwert ist, wird der Sekundärspannungs-Hochstufschritt durchgeführt.
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Falls der SOC der Stromspeichervorrichtung einen Wert hat, der gleich oder höher als der SOC-Schwellenwert ist, besteht ein Risiko, dass das Laden der Stromspeichervorrichtung in Überschuss resultieren könnte, oder in Überladen resultieren könnte. Unter diesen Umständen kann durch Hochstufen der Sekundärspannung ein solches Risiko eliminiert werden und es wird möglich, eine Verschlechterung der Brennstoffausnutzung (elektrischen Energieeffizienz) des Brennstoffzellensystems zu verhindern.
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In diesem Fall wird, vor dem Sekundärspannungs-Hochstufschritt, der erste Wandler in einen gestoppten Zustand versetzt, um die Stromspeichervorrichtung direkt mit der Lasttreibereinheit zu verbinden. Auf diese Weise wird es möglich, die Systemeffizienz zu verbessern.
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Ferner enthält das Verfahren bevorzugt einen Energieerzeugungs-Strom-Nullwert-Setzschritt zum Setzen eines Energieerzeugungs-Stroms auf einen Nullwert vor dem Ansteuern des ersten Wandlers, um hierdurch zu erlauben, dass die Sekundärspannung höher als die Brennstoffzellenspannung wird. Indem der Energieerzeugungsstrom auf einen Null-Wert gesetzt wird, wird die Brennstoffzellenspannung zur OCV (Leerlaufspannung), und kann die Ausgabe von der Brennstoffzelle zuverlässig unterbrochen werden.
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Ferner wird gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Steuern/Regeln eines Brennstoffzellensystems angegeben. Das Brennstoffzellensystem enthält eine Brennstoffzelle, die konfiguriert ist, um eine Brennstoffzellenspannung als Primärspannung zu erzeugen; eine Stromspeichervorrichtung, die konfiguriert ist, um eine Stromspeichervorrichtung-Spannung als andere Primärspannung zu erzeugen; eine Lasttreibereinheit, der eine Sekundärspannung zugeführt wird, wobei die Lasttreibereinheit zum Antrieb einer Last konfiguriert ist; einen ersten Wandler, der zwischen der Stromspeichervorrichtung und der Lasttreibereinheit vorgesehen und konfiguriert ist, um eine Spannungswandlung zwischen der Stromspeichervorrichtung-Spannung und der Sekundärspannung durchzuführen; und einen zweiten Wandler, der zwischen der Brennstoffzelle und der Lasttreibereinheit vorgesehen und konfiguriert ist, um eine Spannungswandlung zwischen der Brennstoffzellenspannung und der Sekundärspannung durchzuführen. Das Verfahren enthält: einen Sekundärspannungs-Setzschritt zum Setzen der Sekundärspannung durch den ersten Wandler in Abhängigkeit von einer für die Last angeforderten elektrischen Energie; und einen zeitweiligen Sekundärspannungs-Fixierschritt, um, wenn die Sekundärspannung basierend auf einer Abnahme der für die Last angeforderten elektrischen Energie und/oder der regenerativen elektrischen Energie der Last abnimmt, die abnehmende Sekundärspannung durch den ersten Wandler zeitweilig zu fixieren.
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Indem in der vorliegenden Erfindung die Sekundärspannung zeitweilig fixiert wird, ist es möglich, das Risiko zu reduzieren, dass die von der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie abgezogen wird, und die Steuerbarkeit der Brennstoffzelle zu verbessern.
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In diesem Fall enthält das Verfahren bevorzugt ferner einen SOC-Erfassungsschritt zum Erfassen vom Ladezustand, d. h. SOC, der Stromspeichervorrichtung, wobei, wenn der erfasste SOC gleich oder größer als ein SOC-Schwellenwert ist, der zeitweilige Sekundärspannungs-Fixierschritt durchgeführt wird. Falls der SOC der Stromspeichervorrichtung einen Wert hat, der gleich oder höher als der SOC-Schwellenwert ist, besteht ein Risiko, dass das Laden der Stromspeichervorrichtung in Überschuss resultieren könnte, oder ein Überladen der Stromspeichervorrichtung auftreten könnte. In diesem Fall ist es durch temporäres Fixieren der Sekundärspannung möglich, ein Überladen der Stromspeichervorrichtung zu verhindern und die Brennstoff-Wirtschaftlichkeit (elektrische Energieeffizienz) des Brennstoffzellensystems zu verbessern.
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In dieser Hinsicht wird bevorzugt in einem Fall, wo die Abnahme der Sekundärspannung durch regenerative elektrische Energie der Last verursacht wird, der zeitweilige Sekundärspannungs-Fixierschritt fortgesetzt, bis die Erzeugung der regenerativen elektrischen Energie der Last beendet ist. Auf diese Weise wird es möglich, das Risiko vom Überladen der Stromspeichervorrichtung zu reduzieren.
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Gemäß einem noch anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern/Regeln eines Brennstoffzellenautomobils angegeben. Das Brennstoffzellenautomobil enthält eine Brennstoffzelle, die konfiguriert ist, um eine Brennstoffzellenspannung als Primärspannung zu erzeugen; eine Stromspeichervorrichtung, die konfiguriert ist, um eine Stromspeichervorrichtung-Spannung als andere Primärspannung zu erzeugen; eine Motortreibereinheit, der eine Sekundärspannung zugeführt wird, wobei die Motortreibereinheit konfiguriert ist, um einen Motor anzutreiben, der eine Antriebskraft erzeugt, um eine Fahrt des Brennstoffzellenautomobils zu erlauben, einen ersten Wandler, der zwischen der Stromspeichervorrichtung und der Motortreibereinheit vorgesehen und konfiguriert ist, um eine Spannungswandlung zwischen der Stromspeichervorrichtung-Spannung und der Sekundärspannung durchzuführen; und einen zweiten Wandler, der zwischen der Brennstoffzelle und der Motortreibereinheit vorgesehen und konfiguriert ist, um eine Spannungswandlung zwischen der Brennstoffzellenspannung und der Sekundärspannung durchzuführen. Das Verfahren enthält: einen Verzögerungsbestimmungsschritt zum Bestimmen, ob das Brennstoffzellenautomobil in einem Verzögerungszustand ist oder nicht; und einen Sekundärspannungs-Hochstufschritt, um, wenn das Brennstoffzellenautomobil im Verzögerungszustand ist, den ersten Wandler anzusteuern, um hierdurch zu erlauben, dass die Sekundärspannung höher als die Brennstoffzellenspannung wird.
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Allgemein wird während Verzögerung des Brennstoffzellenautomobils die elektrische Energie der Brennstoffzelle, die redundant (überschüssig) wird, zum Aufladen der Stromspeichervorrichtung verwendet. Wenn daher die elektrische Brennstoffzellenenergie fortlaufend erzeugt wird, könnte ein Überladen der Stromspeichervorrichtung auftreten. In diesem Fall ist es, gemäß der vorliegenden Erfindung, durch Erhöhen der Klemmenspannung der Motortreibereinheit, welche die Sekundärspannung ist, so dass sie die Brennstoffzellenspannung überschreitet, möglich, die Ausgabe von der Brennstoffzelle zu unterbrechen und ein Überladen der Stromspeichervorrichtung zu verhindern.
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Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellenautomobil angegeben. Das Brennstoffzellenautomobil enthält eine Brennstoffzelle, die konfiguriert ist, um eine Brennstoffzellenspannung als Primärspannung zu erzeugen; eine Stromspeichervorrichtung, die konfiguriert ist, um eine Stromspeichervorrichtung-Spannung als andere Primärspannung zu erzeugen; eine Motortreibereinheit, der eine Sekundärspannung zugeführt wird, wobei die Motortreibereinheit konfiguriert ist, um einen Motor anzutreiben, der eine Antriebskraft erzeugt, um eine Fahrt des Brennstoffzellenautomobils zu erlauben, einen ersten Wandler, der zwischen der Stromspeichervorrichtung und der Motortreibereinheit vorgesehen und konfiguriert ist, um eine Spannungswandlung zwischen der Stromspeichervorrichtung-Spannung und der Sekundärspannung durchzuführen; und einen zweiten Wandler, der zwischen der Brennstoffzelle und der Motortreibereinheit vorgesehen und konfiguriert ist, um eine Spannungswandlung zwischen der Brennstoffzellenspannung und der Sekundärspannung durchzuführen; einen Verzögerungszustand-Erfassungssensor; und eine elektronische Steuereinheit, die mit der Brennstoffzelle, der Stromspeichervorrichtung, der Motortreibereinheit, dem ersten Wandler, dem zweiten Wandler und dem Verzögerungszustand-Erfassungssensor verbunden ist. Wenn die elektronische Steuereinheit basierend auf einer Ausgabe des Verzögerungszustand-Erfassungssensors bestimmt, dass das Brennstoffzellenautomobil in einem Verzögerungszustand ist, steuert die elektronische Steuereinheit den ersten Wandler an, um hierdurch zu erlauben, dass die Sekundärspannung höher als die Brennstoffzellenspannung wird.
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In der vorliegenden Erfindung wird es möglich, ein Überladen der Stromspeichervorrichtung mit der von der Brennstoffzelle erzeugten überschüssigen elektrischen Energie zu verhindern.
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Die obigen und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen näher ersichtlich, worin eine bevorzugte Ausführung der vorliegenden Erfindung als Illustrationsbeispiel gezeigt ist.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein Diagramm, das schematisch eine Struktur eines Brennstoffzellenautomobils gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 ist eine Tabelle, die den Betrieb eines FC-Wandlers und eines BAT-Wandlers in 1 zeigt;
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3 ist ein Graph, der eine I-V-Kennlinie eines Brennstoffzellenstapels zeigt;
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4 ist ein Zeitdiagramm, das zur Erläuterung vom Betrieb gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel dient;
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5 ist ein Flussdiagramm, das zur Erläuterung vom Betrieb gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel dient;
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6 ist ein Zeitdiagramm, das zur Erläuterung vom Betrieb gemäß einem modifizierten Beispiel vom ersten Ausführungsbeispiel dient;
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7 ist ein Flussdiagramm, das zur Erläuterung vom Betrieb gemäß dem modifizierten Beispiel des ersten Ausführungsbeispiels dient;
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8 ist ein Zeitdiagramm, das zur Erläuterung vom Betrieb gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel dient; und
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9 ist ein Flussdiagramm, das zur Erläuterung vom Betrieb gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel dient.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungen des Verfahrens zum Steuern/Regeln eines Brennstoffzellensystems (Brennstoffzellenautomobils) gemäß der vorliegenden Erfindung in Bezug auf ein Brennstoffzellenautomobil zur Ausführung des Steuerverfahrens in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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1 ist ein Diagramm, das schematisch die Struktur eines Brennstoffzellenautomobils 10 (nachfolgend auf als „FC-Automobil” oder „Fahrzeug 10” bezeichnet) gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Es sollte angemerkt werden, dass ein Brennstoffzellensystem, in dem die Last ein Motor 12 zur Traktion (nachfolgend auch als „Traktionsmotor 12”, „Antriebsmotor 12” oder einfach „Motor 12” bezeichnet) ist, als das FC-Automobil 10 bezeichnet wird. Das Brennstoffzellensystem 10 gemäß der Ausführung ist auch auf Anlagen-Einrichtungen anwendbar, wie etwa eine Fabrikeinrichtung, wobei die Last ein anderer Motor als der Traktionsmotor ist.
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Das FC-Automobil 10 enthält ein Antriebssystem 1000, ein Brennstoffzellensystem (nachfolgend auch als „FC-System” bezeichnet) 2000, ein Batteriesystem 3000, ein Hilfsaggregate-System 4000 sowie eine elektronische Steuereinheit 50 (nachfolgend auch als „ECU 50” bezeichnet) zum Steuern/Regeln des Antriebssystems 1000, des Brennstoffzellensystems 2000, des Batteriesystems 3000 und des Hilfsaggregate-Systems 4000. Der Kürze wegen sind in 1 Leitungsdrähte (Signalleitungen, etc.), welche die ECU 50 mit den jeweiligen Bauteilen verbinden, weggelassen.
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In der Struktur fungieren das Brennstoffzellensystem 2000 und das Batteriesystem 3000 grundlegend als parallele Stromquellen für das gesamte Fahrzeug 10. Das Antriebssystem 1000 und das Hilfsaggregate-System 4000 fungieren grundlegend als Last, welche elektrische Energie verbraucht, die von den Stromquellen (dem Brennstoffzellensystem 2000 und dem Batteriesystem 3000) zugeführt wird.
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Das Antriebssystem 1000 enthält den Traktionsmotor 12 und einen Inverter 14 als Lasttreibereinheit (Motortreibereinheit). Der Inverter 14 fungiert auch als Teil der Last.
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Das FC-System 2000 enthält einen Brennstoffzellenstapel (Brennstoffzelle) 20 (nachfolgend auch als „FC 20” bezeichnet), als Stromquelle, einen Brennstoffzellenwandler 24 (nachfolgend auch als „FC-Wandler 24” bezeichnet), eine Brenngaszufuhrquelle (nicht gezeigt), wie etwa einen Brennstofftank, sowie eine Sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrquelle (nicht gezeigt).
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Der FC-Wandler 24 ist ein Zerhacker-Hochstuf-Wandler (Spannungsverstärker). Wie in 1 gezeigt, enthält der FC-Wandler 24 zum Beispiel eine Drosselspule (Induktor) L1, eine Diode D1, ein Schaltelement (Transistor) S11 sowie Glättungskondensatoren C11 und C12.
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Das Batteriesystem 3000 enthält eine Batterie (nachfolgend auch als „BAT” bezeichnet) 30 als Stromspeichervorrichtung, sowie einen Batteriewandler 34 (nachfolgend auch als „BAT-Wandler 34” bezeichnet).
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Der BAT-Wandler 34 ist ein Zerhacker-Hochstuf-/Herabstuf-Wandler (Spannungsverstärker/Aufwärts-Abwärts-Wandler). Wie in 1 gezeigt, enthält der BAT-Wandler 34 zum Beispiel eine Drosselspule (Induktor) L2, Dioden D2 und D21, Schaltelemente (Transistoren) S21 und S22, sowie Glättungskondensatoren C21 und C22.
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Obwohl nicht gezeigt, enthält das Hilfsaggregate-System 4000 Hilfsvorrichtungen (AUX) 52, wie etwa eine Luftpumpe als Sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrquelle für die FC 20, sowie eine Klimaanlage in dem Hochspannungssystem, sowie Beleuchtungsvorrichtungen und eine Niederspannungs-Stromspeichervorrichtung (Niederspannungs-Stromquelle) etc. im Niederspannungssystem.
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Wenn das Antriebssystem als Last durch elektrische Energie angetrieben wird, die von der FC 20 und der Batterie 30 zugeführt wird, erzeugt der Motor 12 eine Antriebskraft zum Vorantreiben des FC-Automobils 10. Das heißt, die Antriebskraft wird durch ein Getriebe (nicht gezeigt) übertragen, um Räder (nicht gezeigt) zu drehen, um das FC-Automobil 10 zu bewegen.
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Der Inverter 14 ist ein DC/AC-Wandler, der bidirektional betrieben wird. Während der Strom-Fahrt des FC-Automobils 10 wandelt der Inverter 14 die Inverterklemmenspannung (Lastklemmenspannung) Vinv, welche eine Gleichspannung ist, und den Inverterklemmenstrom Iinv (Strom-Fahrstrom Iinvd) der am Eingangsanschluss des Inverters 14 durch die FC 20 und/oder die Batterie 30 erzeugt wird, in Drei-Phasen-Wechselspannung und Wechselstrom um, und legt die Drei-Phasen-Wechselspannung und den Wechselstrom an den Motor 12 an.
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Während der Regeneration des FC-Automobils 10 (während Verzögerung, wenn der Öffnungsgradwert (Gaspedalöffnungsgrad) θap, der von einem mit einem Gaspedal (nicht gezeigt) verbundenen Gaspedalsensor 22 angegeben wird, Null ist, wandelt der Inverter 14 ferner die am Motor 12 erzeugte regenerative Wechselstromenergie in eine Inverterklemmen-Gleichspannung Vinv und einen Inverterklemmenstrom Iinv (regenerativen Strom Iinvr) um. Durch die durch Regeneration mit dem Motor 12 erzeugte elektrische Energie (regenerative elektrische Energie) erfolgt das Laden der Batterie 30 durch den BAT-Wandler 34, der im Spannungs-Herabstufzustand ist.
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Die Inverterklemmenspannung Vinv, welche die dem FC-Wandler 24 und dem BAT-Wandler 34 gemeinsame Sekundärspannung ist, wird von einem Spannungssensor 60 erfasst, und durch eine Signalleitung (nicht gezeigt) an die ECU 50 ausgegeben. Die Inverterklemmenspannung Iinv als Eingangsklemmenstrom des Inverters 14 wird von einem Stromsensor 64 erfasst und durch eine Signalleitung (nicht gezeigt) an die ECU 50 ausgegeben.
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Die ECU 50 enthält eine Eingabe-/Ausgabevorrichtung, eine Computervorrichtung (einschließlich CPU) sowie eine Speichervorrichtung (diese Vorrichtungen sind nicht gezeigt). Zum Beispiel kann die ECU 50 unterteilt werden in eine ECU für das Antriebssystem 1000, eine ECU für das FC-System 2000, eine ECU für das Batteriesystem 3000, eine ECU für das Hilfsaggregate-System 4000, eine ECU zum Antrieb des FC-Wandlers 24, eine ECU zum Antrieb des BAT-Wandlers 34 sowie eine ECU zur Gesamtsteuerung/-regelung dieser Komponenten. In diesem Fall können diese ECUs miteinander kommunizieren.
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Zum Beispiel ist die FC 20 durch gestapelte Brennstoffzellen gebildet. Jede der Brennstoffzellen enthält eine Anode, eine Kathode sowie eine zwischen die Anode und die Kathode eingefügte Festpolymerelektrolytmembran. Um die FC 20 herum vorgesehen sind ein Anodensystem, das die Brenngaszufuhrquelle enthält, ein Kathodensystem, das die Sauerstoffhaltiges-Gas-Zufuhrquelle enthält, ein Kühlsystem, etc. Das Anodensystem führt Wasserstoff (Brenngas) der Anode der FC 20 zu und führt den Wasserstoff von der Anode der FC 20 ab. Das Kathodensystem führt die Luft (sauerstoffhaltiges Gas) der Kathode der FC 20 zu, und führt die Luft von der Kathode ab. Das Kühlsystem kühlt die FC 20.
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Der FC-Wandler 24 ist zwischen der FC 20 und dem Inverter 14 vorgesehen. Die Primärseite des FC-Wandlers 24 ist mit der FC 20 verbunden, und die Sekundärseite des FC-Wandlers 24 ist mit dem Motor 12 durch den Inverter 14 verbunden und ist mit der Batterie 30 durch den BAT-Wandler 34 verbunden.
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2 ist eine Tabelle 70, die die Betriebszustände der Schaltelemente S11, S21, S22 durch die ECU 50, die Betriebszustände (Spannungs-Hochstufzustand, Direktverbindungszustand, Spannungs-Herabstufzustand) des FC-Wandlers 24 und des BAT-Wandlers 34, sowie die Größenbeziehung zwischen der Primärspannung (FC-Spannung Vfc, Batteriespannung Vbat) und der Sekundärspannung (Inverterklemmenspannung Vinv) des FC-Wandlers 24 und des BAT-Wandlers 34 darstellt.
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Der FC-Wandler 24 stuft die FC-Spannung Vfc hoch, welche die Ausgangsspannung der FC 20 ist (d. h. implementiert eine EIN/AUS-Taststeuerung vom Schaltelement S11 (d. h. schaltet wiederholt zwischen einem EIN-Zustand und einem AUS-Zustand um)), oder verbindet die FC-Spannung Vfc direkt mit der Sekundärseite (d. h. versetzt das Schaltelement S11 in den AUS-Zustand), und legt die FC-Spannung Vfc als die Inverterklemmenspannung Vinv an die Sekundärseite an (den Inverter 14 des Antriebssystems 1000, der Hilfsaggregate 52 und/oder der Batterie 30).
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Wenn die FC 20 im Unterbrechungszustand ist, wird im FC-Wandler 24 das Schaltelement S11 in den AUS-Zustand versetzt, wodurch die Inverterklemmenspannung Vinv höher wird als die Leerlaufspannung (FC-Leerlaufspannung) VfcOCV der FC 20 (die Diode D1 aus dem Unterbrechungszustand (AUS-Zustand)).
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3 ist ein Graph, der eine I-V-(Strom-Spannungs-)Kennlinie 90 der FC 20 zeigt. Wenn gemäß der I-V-Kennlinie 90 die FC-Spannung Vfc in Bezug auf die FC-Leerlaufspannung VfcOCV abnimmt, nimmt der FC-Strom Ifc zu. Wenn ferner, gemäß der I-V-Kennlinie 90, der FC-Strom Ifc ansteigt (d. h. die FC-Spannung Vfc abnimmt), nimmt die elektrische FC-Leistung Pfc zu. Wenn zum Beispiel FC-Spannung Vfc, welche die Primärspannung des FC-Wandlers 24 ist, auf eine Soll-Spannung gesetzt wird, wird das Spannungs-Hochstufverhältnis (Vinv/Vfc) des FC-Wandlers 24 so bestimmt, dass die FC-Spannung Vfc die Soll-Spannung erreicht, und der FC-Strom Ifc entsprechend der FC-Spannung Vfc, die die Sollspannung erreicht hat, gemäß der I-V-Kennlinie 90 fließt.
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Wenn der FC-Wandler 24 im Spannungs-Hochstufzustand ist, ist die FC-Spannung Vfc als die Primärspannung des FC-Wandlers 24 niedriger als die Inverterklemmenspannung Vinv (Vfc < Vinv).
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Wenn der FC-Wandler 24 im Direktverbindungszustand ist, wird die Inverterklemmenspannung Vinv gleich der FC-Spannung Vfc (genauer gesagt, Vinv = Vfc – Vd1, wobei Vd1 der vordere Spannungsabfall der Diode D1 ist), und wird der Wert vom Schaltverlust des FC-Wandlers 24 zu Null. Daher wird insgesamt eine Verbesserung der Systemeffizienz des FC-Automobils 10 erreicht.
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Wenn im Direktverbindungszustand des FC-Wandlers 24 die Inverterklemmenspannung Vinv als die Sekundärspannung des FC-Wandlers 24 höher wird als die FC-Leerlaufspannung VfcOCV (Vinv > VfcOCV), wird der Betrieb des FC-Wandlers 24 gestoppt, wodurch der Wert des FC-Stroms zu FC, der von der FC 20 fließt, zu Null wird (Ifc = 0). Das heißt, die FC 20 wird in den Unterbrechungszustand versetzt.
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Ähnlich wird, wenn der BAT-Wandler 34 im Direktverbindungszustand ist, die Inverterklemmenspannung Vinv gleich der Batteriespannung Vbat (genauer gesagt Vinv = Vbat – Vd2, wobei Vd2 der vordere Spannungsabfall der Diode D2 ist), und wird der Wert vom Schaltverlust des BAT-Wandlers 34 zu Null.
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Daher wird insgesamt eine Verbesserung der Systemeffizienz des FC-Automobils 10 erreicht.
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Die FC-Spannung Vfc als die Primärspannung des FC-Wandlers 24 wird mit einem Spannungssensor 80 erfasst und durch eine Signalleitung (nicht gezeigt) an die ECU 50 ausgegeben. Der FC-Strom Ifc als der primärseitige Strom des FC-Wandlers 24 wird mit einem Stromsensor 84 erfasst und durch eine Signalleitung (nicht gezeigt) an die ECU 50 ausgegeben. Die Sekundärspannung des FC-Wandlers 24 wird vom Spannungssensor 60 als die Inverterklemmenspannung Vinv erfasst. Der Sekundärstrom Ifc2 des FC-Wandlers 24 wird von einem Stromsensor 92 erfasst und durch eine Signalleitung (nicht gezeigt) an die ECU 50 ausgegeben. Die Temperatur Tfc [°C] der FC 20 (FC-Temperatur) wird mit einem Temperatursensor 106 erfasst und durch eine Signalleitung (nicht gezeigt) an die ECU 50 ausgegeben.
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Die Batterie ist eine Stromspeichervorrichtung (Energiespeicher), die eine Mehrzahl von Batteriezellen enthält. Zum Beispiel kann eine Lithiumionen-Sekundärbatterie, eine Nickel-Wasserstoff-Sekundärbatterie etc. als die Batterie 30 verwendet werden. In der Ausführung wird die Lithiumionen-Sekundärbatterie verwendet. Anstelle der Batterie 30 können auch andere Energiespeicher-Typen verwendet werden, wie etwa ein Kondensator.
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Die Batteriespannung Vbat [V] als die Eingangs-/Ausgangsklemmenspannung der Batterie 30 wird mit einem Spannungssensor 100 erfasst und durch eine Signalleitung (nicht gezeigt) an die ECU 50 ausgegeben.
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Der Batteriestrom Ibat (Entladestrom Ibatd oder Ladestrom Ibatc) [A] der Batterie 30 wird mit einem Stromsensor 104 erfasst und durch eine Signalleitung (nicht gezeigt) an die ECU 50 ausgegeben. Die Temperatur (Batterietemperatur) Tbat [°C] der Batterie 30 wird mit einem Temperatursensor 108 erfasst und durch eine Signalleitung (nicht gezeigt) an die ECU 50 ausgegeben.
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Die ECU 50 berechnet den Ladezustand (nachfolgend als der „SOC” oder „Batterie SOC” bezeichnet) [%] der Batterie 30 basierend auf der Batterietemperatur Tbat, der Batteriespannung Vbat und dem Batteriestrom Ibat, und verwendet den berechneten SOC für das Management der Batterie 30.
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Zum Beispiel berechnet die ECU 50, basierend auf der Batterietemperatur Tbat und dem SOC, die Obergrenze SOCupImt [kW] als oberen Grenzwert des SOC, und die elektrische Ladegrenzleistung Pbatmgn [kW] zum Erreichen der Obergrenze SOCupImt [kW].
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Wenn der SOC der Batterie 30 höher als die Obergrenze SOCupImt wird, oder nachdem die elektrische Ladegrenzleistung Pbatmgn als zulässige elektrische Leistung, die als die Ladeleistung von der Batterie 30 akzeptiert werden kann, 0 [kW] erreicht hat, könnte ein Überladen der Batterie 30 stattfinden, und könnte die Batterie 30 unerwünscht altern.
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Wie oben beschrieben, stuft der BAT-Wandler 34 die Ausgangsspannung (Batteriespannung Vbat) der Batterie 30 hoch {Vbat < Vinv, Spannungs-Hochstuf-Verhältnis (Vinv/Vbat) > 1}, und führt die hochgestufte Spannung dem Inverter 14 (im Spannungs-Hochstufzustand) zu. Ferner stuft der BAT-Wandler 34 die Regenerativ-Spannung (nachfolgend als die „Regenerativspannung Vreg” bezeichnet) des Motors 12 oder die Sekundärspannung (Inverterklemmenspannung Vinv) des FC-Wandlers 24 herab {Vbat < Vinv, Spannungs-Herabstuf-Verhältnis (Vbat/Vinv) < 1}, und führt die herabgestufte Spannung der Batterie 30 (im Spannungs-Herabstufzustand) zu.
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Der BAT-Wandler 34 ist zwischen der Batterie 30 und dem Inverter 14 vorgesehen. Eine Seite des BAT-Wandlers 34 ist mit der Primärseite verbunden, wo sich die Batterie 30 befindet, und die andere Seite des BAT-Wandlers 34 ist mit der Sekundärseite als Verbindungspunkt zwischen dem FC 20 und dem Inverter 14 verbunden.
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Wie oben beschrieben, wird die Batteriespannung Vbat als die Primärspannung des BAT-Wandlers 34 mit dem Spannungssensor 100 erfasst, und wird der Batteriestrom Ibat als der Primärstrom des BAT-Wandlers 34 mit dem Stromsensor 104 erfasst.
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Die Sekundärspannung dieses BAT-Wandlers 34 wird als die Inverterklemmenspannung Vinv mit einem Spannungssensor 60 erfasst. Der sekundärseitige Strom Ibat2 (Entladestrom Ibat2d, Ladestrom Ibat2c) des BAT-Wandlers 34 wird mit einem Stromsensor 138 erfasst und durch eine Signalleitung (nicht gezeigt) an die ECU 50 ausgegeben.
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Der Hilfsaggregatstrom Iaux, der durch die Hilfsaggregate 52 fließt, wird mit einem Stromsensor 140 erfasst und durch eine Signalleitung (nicht gezeigt) an die ECU 50 ausgegeben.
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Die ECU 50 steuert/regelt den Motor 12, den Inverter 14, die FC 20, die Batterie 30, den FC-Wandler 24 und den BAT-Wandler 34. Bei der Steuerung führt die ECU 50 ein Programm aus, das in einer Speichervorrichtung (nicht gezeigt) gespeichert ist. Ferner verwendet die ECU 50 Erfassungswerte der verschiedenen Sensoren, wie etwa der Spannungssensoren 60, 80, 100 und der Stromsensoren 64, 84, 92, 104, 138 und 140.
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Zusätzlich zu den obigen Sensoren enthalten die verschiedenen Sensoren hierin einen Gaspedalsensor 62 zum Erfassen eines Öffnungsgrads (Betätigungsbetrags) θap [%] des obigen Gaspedals, einen Motordrehzahlsensor 63 und Raddrehzahlsensoren (alle nicht gezeigt). Der Motordrehzahlsensor 63 ist aus einem Resolver, etc., aufgebaut und erfasst die Drehzahl Nmot [upm] des Motors 12. Die ECU 50 erfasst die Fahrzeuggeschwindigkeit Vs [km/h] des Fahrzeugs 10 basierend auf der Drehzahl Nmot. Die Raddrehzahlsensoren erfassen Geschwindigkeiten (Fahrzeuggeschwindigkeiten) der Fahrzeugräder (nicht gezeigt). Wenn während der Fahrt des Fahrzeugs 10 der Öffnungsgrad θap des Gaspedals 0 ist (θap = 0), ist das Fahrzeug 10 im Verzögerungszustand. Daher fungiert der Gaspedalsensor 62 auch als Verzögerungszustand-Erfassungssensor. Da ferner die Fahrzeuggeschwindigkeit Vs mit dem Motordrehzahlsensor 63 erfasst wird, fungiert der Motordrehzahlsensor 63 auch als Verzögerungszustand-Erfassungssensor (wenn der Ableitungswert der Fahrzeuggeschwindigkeit Vs einen negativen Wert hat, ist das Fahrzeug 10 im Verzögerungszustand).
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Die ECU 50 berechnet die angeforderte elektrische Systemleistung Psysreq [kW], welche eine Systemlast (Gesamtlast) ist, die das gesamte FC-Automobil 10 erfordert, basierend auf den Eingaben (Lastanforderungen) von verschiedenen Schaltern und verschiedenen Sensoren, zusätzlich zum Zustand der FC 20, vom Zustand der Batterie 30, vom Zustand des Motors 12 und von Zuständen der Hilfsaggregate 52.
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Ferner gewichtet und bestimmt die ECU 50 die Zuordnung (die Anteile) der angeforderten elektrischen FC-Leistung Pfcreq für die von FC 20 angetriebene Last (FC-Last), die angeforderte elektrische Batterieleistung Pbatreq für die von der Batterie 30 angetriebene Last (Batterielast) und die elektrische regenerative Leistung Preg für die von der Regenerativstromquelle (Motor 12) angetriebene Last (Regenerativlast) basierend auf der angeforderten elektrischen Systemleistung Psysreq.
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[Erläuterung vom Steuerverfahren und Betrieb]
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Nun werden ein erstes Ausführungsbeispiel, ein modifiziertes Beispiel des ersten Ausführungsbeispiels und ein zweites Ausführungsbeispiel eines Steuerverfahrens eines FC-Automobils gemäß dieser Ausführung beschrieben.
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[Erstes Ausführungsbeispiel]
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4 ist ein Zeitdiagramm, das zur Erläuterung vom Betrieb des FC-Automobils 10 (1) dient, um ein Steuerverfahren des ersten Ausführungsbeispiels zu implementieren.
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5 ist ein Flussdiagramm, das zur Erläuterung des Steuerverfahrens gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel dient.
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Während der Zeitspanne ab dem Zeitpunkt t0 bis zum Zeitpunkt t1 (Verzögerungszeitspanne, etc.), nimmt die angeforderte elektrische Systemleistung Psysreq des FC-Automobils 10 graduell ab.
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Während der Zeitspanne ab dem Zeitpunkt t1 bis zum Zeitpunkt t3 wird das FC-Automobil 10 in einen Leerlaufstoppzustand versetzt (d. h. einen Nicht-Leerlaufzustand oder einen Leerlaufreduktionszustand), wo der Wert der Fahrzeuggeschwindigkeit Null ist. Die angeforderte elektrische Systemleistung Psysreq wird auf einer niedrigen elektrischen Leistung entsprechend dem Leerlaufstoppzustand gehalten.
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Während der Zeitspanne ab dem Zeitpunkt t0 bis zum Zeitpunkt t2 wird, um die Systemeffizienz zu verbessern, der BAT-Wandler 34 in den Direktverbindungszustand versetzt (Vbat ≈ Vinv). In diesem Zustand wird das Schaltelement S21 des BAT-Wandlers 34 im AUS-Zustand gehalten, und wird das Schaltelement S22 des BAT-Wandlers 34 im EIN-Zustand gehalten (2).
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Während der Zeitspanne ab dem Zeitpunkt t0 bis zum Zeitpunkt t2 erzeugt die FC eine feste elektrische FC-Leistung Pfca (= Pfc).
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Da während der Zeitspanne ab dem Zeitpunkt t0 bis zum Zeitpunkt t2 der BAT-Wandler 34 in den Direktverbindungszustand versetzt wird, wird die Batterie 30 mit der elektrischen überschüssigen FC-Leistung Pfca durch den FC-Wandler 24 im Spannungs-Hochstufzustand und den BAT-Wandler 34 im Direktverbindungszustand geladen, und im Ergebnis werden die Batteriespannung Vbat und die Inverterklemmenspannung Vinv auf im Wesentlichen den gleichen Spannungspegel allmählich angehoben (Vbat = Vinv – EIN-Spannung des Schaltelements S22).
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Das Spannungs-Hochstuf-Verhältnis (Vinv/Vfc) des FC-Wandlers 24 wird derart gesteuert, dass das Spannungs-Hochstuf-Verhältnis (Vinv/Vfc) mit der Steigung erhöht wird, welche gleich der Steigung des Spannungsanstiegs der Inverterklemmenspannung Vinv ist. Als Folge dieser Steuerung wird die elektrische Soll-FC-Leistung Pfctar zu der festen elektrischen FC-Leistung Pfca.
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Auch wenn das FC-Automobil 10 nach dem Zeitpunkt t1 gestoppt wird, wird, durch das Laden der Batterie 30 mit der überschüssigen elektrischen Leistung in der elektrischen FC-Leistung Pfca, der SOC allmählich erhöht.
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Während des Ladens der Batterie 30 bestimmt in Schritt S1 die ECU 50, ob ein Risiko vom Überladen der Batterie 30 vorliegt oder nicht.
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Wenn zum Zeitpunkt t2 das FC-Automobil 10 gestoppt ist, nähert sich der SOC der Obergrenze SOCupImt an (unter der praktischen Steuerung nähert sich die SOC an einen Schwellenwert an, der kleiner als die Obergrenze SOCupImt ist, unter Berücksichtigung einer Bandbreite), und dann bestimmt die ECU 50, dass ein Risiko zum Überladen vorliegt (Schritt S1: JA).
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In Schritt S2 bestimmt die ECU 50, ob die Ursache dieses Risikos zum Überladen auf die überschüssige elektrische Energie der elektrischen FC-Leistung Pfc zurückgeht. Wenn die Ursache des Risikos zum Überladen nicht auf die überschüssige elektrische Energie der elektrischen FC-Leistung Pfc zurückgeht (Schritt S2: NEIN), wird die Prozess-Sequenz des Flussdiagramms beendet.
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In diesem Fall wird basierend auf dem Wert des Stromsensors 64 bestätigt, dass die elektrische regenerative Energie nicht vorliegt, und es wird aus den Werten (Vfc, Ifc) des Spannungssensors 80 und des Stromsensors 84 bestimmt, dass die Ursache des Risikos zum Überladen auf die überschüssige elektrische Energie der elektrischen FC-Leistung Pfc zurückgeht (Schritt S2: JA).
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Hierbei erzeugt in Schritt S3 die ECU 50 einen Befehl von Ifc = 0 [A] für die FC 20 (elektrischer FC-Leistungsunterbrechungsbefehl), und in Schritt S3 wird das Schaltelement S11 vom EIN-/AUS-Zustand zum AUS-Zustand umgeschaltet, um den FC-Wandler 24 vom Spannungs-Hochstufzustand zum Unterbrechungszustand zu schalten.
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In der Praxis wird zum Zeitpunkt t2 ein Stromerzeugungsunterbrechungsanforderungsflag Fcutreq der FC 20 vom AUS-Zustand zum EIN-Zustand umgeschaltet (Schritt S3).
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Daher wird der FC-Wandler 24 vom Spannungs-Hochstufzustand zum gestoppten Zustand geschaltet (Schritt S3).
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Dann wird in Schritt S4 geprüft, ob der Wert des FC-Stroms Ifc Null ist (Ifc = 0 [A]) oder nicht.
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Nun wird der Schritt, um den Wert des FC-Stroms Ifc auf Null (Ifc = 0 [A]) zu halten, kurz beschrieben. In der Praxis liegt in dem FC-Automobil 10 die FC-Spannung Vfc in der Größenordnung von mehreren hundert Volt. Der Kürze wegen sei jedoch angenommen, dass der vorwärtige Spannungsabfall Vd1 der Diode D1 Vd1 = 0 [V] ist, die gegenwärtige FC-Spannung Vfc = 1,0 [V] ist, die Inverterklemmenspannung Vinv = 1,2 [V] ist und die FC-Leerlaufspannung VfcOCV = 1,5 [V] ist.
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Wenn in diesem Beispiel der FC-Wandler 24 in den AUS-Zustand versetzt ist (Schritt S3), wird, da Vfc = 1,0 < 1,2 = Vinv (Vfc < Vinv), die Diode D1 durch die Rückwärtsvorspannung in den AUS-Zustand versetzt und hat sofort einen Stromwert von 0 [A]. Da jedoch die FC-Spannung Vfc von 1,0 [V] auf 1,5 [V] erhöht ist (FC-Leerlaufspannung VfcOCV), überschreitet, wenn dieser Umstand fortdauert, die FC-Spannung Vfc 1,2 [V] (Vfc > Vinv), und daher wird der FC-Wandler 24 in den so genannten Direktverbindungszustand versetzt. Demzufolge ändert sich der FC-Strom Ifc sofort, so dass er nicht auf 0 [A] gehalten werden kann (Schritt S4: NEIN).
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Daher wird in Schritt S5 die Inverterklemmen-Sollspannung Vinvtar (nachfolgend auch als die „Soll-Inverterklemmenspannung Vinvtar” bezeichnet) so gesetzt, dass sie einen Spannungswert hat, der höher ist als die FC-Leerlaufspannung VfcOCV bei der gegenwärtigen FC-Temperatur Tfc, und wird der BAT-Wandler 34 vom Direktverbindungszustand zum Laden der Batterie zum Spannungs-Hochstufzustand zum Hochstufen der Batteriespannung Vbat geschaltet.
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Das heißt, während der Leerlaufstoppzeitspanne ab dem Zeitpunkt t2 bis zum Zeitpunkt t3 erhöht die ECU 50 die Inverterklemmen-Sollspannung Vinvtar, welche eine Sekundär-Sollspannung für den BAT-Wandler 34 ist, stufenweise, so dass die folgende Gleichung (1) erfüllt ist. VfcOCV < Vinvtar = Vinv (1)
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Dann wird das Spannungs-Hochstuf-Verhältnis (Vinvtar/Vbat) des BAT-Wandlers 34 derart gesteuert, dass man diese Inverterklemmen-Sollspannung Vinvtar bekommt.
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Da auf diese Weise die elektrische FC-Leistung Pfc zuverlässig unterbrochen wird (Pfc = 0 [kW]), wird die Bestimmung von Schritt S4 (0 [A] fortdauernd?) positiv (JA), und wird der SOC der Batterie 30 nach dem Zeitpunkt t2 allmählich verringert, ohne die Obergrenze SOCupImt zu erreichen.
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In Schritt S5 ist der Grund zum Setzen der Inverterklemmen-Sollspannung Vinvtar auf den Spannungswert, der höher ist als die FC-Leerlaufspannung VfcOCV bei der gegenwärtigen FC-Temperatur Tfc, der, um die Tatsache zu berücksichtigen, dass zum Beispiel am Gefrierpunkt oder darunter, die FC-Leerlaufspannung VfcOCV, im Vergleich zur Raumtemperatur von etwa 20 [°C] höher wird.
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Im Zeitdiagramm von 4 ist ein Vergleichsbeispiel, das keinerlei Gegenmaßnahme unterzogen wird, ab dem Zeitpunkt t2 mit unterbrochenen Linien gezeigt. In dem Vergleichsbeispiel wurde die Inverterklemmenspannung Vinv nicht gesteuert, weil die Inverterklemmenspannung Vinv nicht in direkten Bezug auf die elektrische FC-Leistung Pfc steht. Somit ist, nach dem Zeitpunkt t2, die Inverterklemmenspannung Vinv des Vergleichsbeispiels ohne jede Steuerung als Inverterklemmenspannung Vinvice gezeigt.
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Da ferner in dem FC-Wandler des Vergleichsbeispiels der Stopp-Befehl (Befehl zum Ausschalten des Schaltelements S11) nach dem Zeitpunkt t2 ausgegeben wird, wie oben beschrieben, könnte der Direktverbindungszustand nach dem Zeitpunkt t2 fortdauern. In diesem Fall wird die elektrische FC-Leistung Pfc nicht zu 0 [kW], sondern dauert die elektrische FC-Leistung Pfcce des Vergleichsbeispiels fort. Somit wird im Vergleichsbeispiel die elektrische FC-Leistung Pfcce auf die Batterie 30 durch den BAT-Wandler 34 übertragen, der im Direktverbindungszustand ist, und wird der FC-Strom Ifc von der FC 20 unerwünscht fortlaufend der Batterie 30 zugeführt.
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Da im Flussdiagramm von 5 in Schritt S3 bereits bestimmt ist, dass ein Risiko zum Überladen der Batterie 30 durch die elektrische FC-Leistung Pfc vorliegt (Schritt S1: JA, Schritt S2: JA), kann der Bestimmungsprozess in Schritt S4 auch weggelassen werden, um den Prozess in Schritt S5 direkt durchzuführen (Hochstufprozess durch die Steuerung des BAT-Wandlers 34, um Vinvtar > VfcOCV zu erfüllen).
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[Zusammenfassung des ersten Ausführungsbeispiels]
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Das FC-Automobil 10, in dem das Verfahren zum Steuern/Regeln des FC-Automobils 10 gemäß dem obigen ersten Ausführungsbeispiel ausgeführt wird, enthält die FC 20 zum Erzeugen der FC-Spannung Vfc als Primärspannung, die Batterie 30 zum Erzeugen der Batteriespannung Vbat als andere Primärspannung, den Inverter 14 zum Betreiben des Motors 12, den BAT-Wandler 34 (ersten Wandler), der zwischen der Batterie 30 und dem Inverter 14 vorgesehen und konfiguriert ist, um eine Spannungswandlung zwischen der Batteriespannung Vbat und der Inverterklemmenspannung Vinv durchzuführen, sowie den FC-Wandler 24 (zweiten Wandler), der zwischen der FC 20 und dem Inverter 14 vorgesehen und konfiguriert ist, um eine Spannungsumwandlung zwischen der FC-Spannung Vfc und der Inverterklemmenspannung Vinv durchzuführen.
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Das Steuerverfahren vom ersten Ausführungsbeispiel enthält einen Stromspeichervorrichtung-Ladezustand-Bestimmungsschritt (Schritt S1) zum Bestimmen, ob das Laden der Batterie 30 mit der elektrischen FC-Leistung Pfc, welche die von der FC 20 erzeugte elektrische Energie ist, in einem akzeptablen Zustand ist oder nicht.
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Dieser Stromspeichervorrichtung-Ladezustand-Bestimmungsschritt wird zum Beispiel ab dem Zeitpunkt t0 in 4 als SOC-Erfassungsschritt (Schritt S1) ausgeführt. Wenn, wie zum Zeitpunkt t1 gezeigt, sich der SOC der Batterie 30 der Obergrenze SOCupImt annähert (sich einem Schwellenwert annähert, der kleiner als die Obergrenze SOCupImt ist, unter Berücksichtigung einer Bandbreite), wird eine negative Bestimmung vorgenommen (d. h. das Laden ist nicht im akzeptablen Zustand, Schritt S1: NEIN), und dann wird das Stromerzeugungsunterbrechungsanforderungsflag Fcutreq vom AUS-Zustand zum EIN-Zustand umgeschaltet (Schritt S3).
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Das Steuerverfahren gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel enthält ferner einen Sekundärspannungs-Hochstufschritt (Schritt S5). In dem Sekundärspannungs-Hochstufschritt wird in einem Fall, wo das Laden der Batterie 30 nicht in akzeptablem Zustand ist (Schritt S1: JA), der BAT-Wandler 34 derart gesteuert, dass die Inverterklemmenspannung Vinv, welche die dem Bat-Wandler 34 und dem FC-Wandler 24 gemeinsame Sekundärspannung ist, höher wird als die FC-Leerlaufspannung VfcOCV, ohne der Änderung in der angeforderten elektrischen Systemleistung Psysreq zu folgen (hauptsächlich, die elektrische Energie des Motors 12 als der Last). Anders ausgedrückt wird die Steuerung der Inverterklemmenspannung Vinv einhergehend mit der Änderung der Last (des Motors 12) gestoppt. Im Beispiel von 4 wird die angeforderte elektrische Systemleistung während der Zeitspanne ab dem Zeitpunkt t0 bis zum Zeitpunkt t1 allmählich verringert, und erreicht zum Zeitpunkt t1 einen Festwert. Danach wird die angeforderte elektrische Leistung ab dem Zeitpunkt t1 bis zum Zeitpunkt t3 auf dem Festwert gehalten.
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Wie zum Zeitpunkt t2 gezeigt, wird der Spannungs-Hochstufbetrieb des FC-Wandlers 24 gestoppt (S11: AUS), und wird, durch den Spannungs-Hochstufbetrieb des BAT-Wandlers 34 (S21: EIN-/AUS-Schaltung, S22: AUS), die Inverterklemmenspannung Vinv als die Sekundärspannung stufenweise erhöht, so dass sie die FC-Leerlaufspannung VfcOCV überschreitet. Im Ergebnis wird es möglich, die Ausgabe von der FC 20 sofort zu unterbrechen, und demzufolge wird es möglich, ein Laden der Batterie 30 mit der überschüssigen elektrischen Leistung der FC 20 zu verhindern.
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Das heißt, in einem Fall, wo der SOC der Batterie 30 gleich oder höher als die Obergrenze SOCupImt ist, welche ein SOC-Schwellenwert ist, könnte das Laden der Batterie 30 verschwenderisch sein oder könnte unerwünscht ein Laden der Batterie 30 stattfinden. Da in diesem Fall durch das Hochstufen der Inverterklemmenspannung Vinv auf die FC-Leerlaufspannung VfcOCV oder darüber (Vinvtar = Vinv > VfcOCV) durch den BAT-Wandler 34, der hochstufende FC-Wandler 24 im Unterbrechungszustand angeordnet ist (das Schaltelement S11 ist im AUS-Zustand angeordnet, wodurch die Rückspannung auf die Diode D1 wirkt), ist es möglich, ein verschwenderisches Laden und ein Überladen der Batterie 30 mit überschüssiger elektrischer Leistung der FC 20 zu verhindern. Ferner wird die Ausgabe der FC 20 unterbrochen, und demzufolge wird es möglich, eine Verschlechterung der Brennstoffausnutzung (elektrischen Energieeffizienz) des FC-Automobils 10 zu verhindern.
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Darüber hinaus wird, vor dem Schritt des Hochstufens der Inverterklemmenspannung Vinv (dem Sekundärspannungs-Hochstufschritt), der nach dem Zeitpunkt t2 durchgeführt wird, eine Verbesserung der Systemeffizienz erreicht, indem eine Steuerung implementiert wird, um den BAT-Wandler 34 in den gestoppten Zustand zu versetzen, um hierdurch die Batterie 30 durch das Schaltelement 22 (oder die Diode D2) direkt mit dem Inverter 14 zu verbinden.
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Da ferner ein Energieerzeugungs-Strom-Nullwert-Setzschritt (Schritt S3) zum Setzen des FC-Stroms Ifc, der der Ausgangsstrom von der FC 20 ist, auf einen Nullwert (Ifc = 0 [A]) vor der Ansteuerung des BAT-Wandlers 34 (Schritt S5) vorgesehen ist, um zu erlauben, dass die Inverterklemmenspannung (Vinv) höher wird als die FC-Spannung (Vfc), nähert sich die FC-Spannung Vfc der Fc 20 näher an die FC-Leerlaufspannung VfcOCV an, wodurch die Ausgabe von der FC 20 zuverlässig unterbrochen werden kann.
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[Modifiziertes Beispiel des ersten Ausführungsbeispiels]
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6 ist ein Zeitdiagramm zur Erläuterung vom Betrieb des FC-Automobils 10 zur Ausführung des Steuerverfahrens eines modifizierten Beispiels des ersten Ausführungsbeispiels.
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7 ist ein Flussdiagramm zur Erläuterung vom Betrieb des Steuerverfahrens des modifizierten Beispiels des ersten Ausführungsbeispiels. Im Vergleich zum Flussdiagramm von 5 ist in diesem Flussdiagramm der Prozess in Schritt 4 weggelassen, und ist der Prozess von Schritt S5 in 5 in den Prozess von Schritt S6 geändert (dadurch ersetzt).
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Während Verzögerung, etc., des FC-Automobils 10 in der Zeitspanne ab dem Zeitpunkt t10 bis zum Zeitpunkt t11 (Verzögerungszeitspanne, etc.) wird die angeforderte elektrische Systemleistung Psysreq allmählich verringert.
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Während der Zeitspanne ab dem Zeitpunkt t11 bis zum Zeitpunkt t13 wird das FC-Automobil 10 in den Leerlaufstoppzustand verbracht, worin der Wert der Fahrzeuggeschwindigkeit Null ist. Die angeforderte elektrische Systemleistung Psysreq wird auf einer niedrigen elektrischen Leistung entsprechend dem Leerlaufstoppzustand gehalten.
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Während der Zeitspanne ab dem Zeitpunkt t10 bis zum Zeitpunkt t12 wird eine Steuerung implementiert, um den BAT-Wandler 34 in den Direktverbindungszustand zu versetzen, um die Systemeffizienz zu verbessern.
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Während der Zeitspanne ab dem Zeitpunkt t10 bis zum Zeitpunkt t12 erzeugt die FC 20 eine feste elektrische FC-Leistung Pfcc.
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Da in diesem Fall während der Zeitspanne ab dem Zeitpunkt t10 bis zum Zeitpunkt t12 der BAT-Wandler 34 in dem Direktverbindungszustand ist, wird die Batterie 30 mit der überschüssigen elektrischen FC-Leistung Pfcc durch den FC-Wandler 24 im Spannungs-Hochstufzustand und den BAT-Wandler 34 im Direktverbindungszustand geladen. Die Batteriespannung Vbat und die Inverterklemmenspannung Vinv werden auf angenähert den gleichen Spannungswert allmählich erhöht (Vbat = Vinv – EIN-Spannung des Schaltelements S22).
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Das Spannungs-Hochstuf-Verhältnis (Vinv/Vfc) des FC-Wandlers 24 wird derart gesteuert, dass das Spannungs-Hochstuf-Verhältnis (Vinv/Vfc) mit einer Neigung verringert wird, die der Neigung des Spannungsanstiegs der Inverterklemmenspannung Vinv entgegengesetzt ist. Als Folge dieser Steuerung wird die elektrische Soll-FC-Leistung Pfctar zu der festen elektrischen FC-Leistung Pfcc.
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Auch nach dem Zeitpunkt t11, zu dem das FC-Automobil 10 gestoppt wird, wird der SOC durch das Laden der Batterie 30 allmählich angehoben.
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Während des Ladens der Batterie 30 bestimmt die ECU 50 in Schritt S1, ob ein Risiko zum Überladen der Batterie 30 vorliegt.
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Wenn zum Zeitpunkt t12, zu dem das FC-Automobil 10 gestoppt wird, der SOC sich der Obergrenze SOCupImt annähert (sich unter Berücksichtigung der Bandbreite in Bezug auf die Obergrenze SOCupImt dem Schwellenwert annähert), bestimmt die ECU 50, dass ein Risiko zum Überladen besteht (Schritt S1: JA).
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In Schritt S2 bestimmt die ECU 50, ob die Ursache dieses Risikos zum Überladen auf die überschüssige elektrische Energie der elektrischen FC-Leistung Pfc zurückgeht. Wenn die Ursache des Risikos zum Überladen nicht auf die überschüssige elektrische Energie der elektrischen FC-Leistung Pfc zurückgeht (Schritt S2: NEIN), wird die Betriebssequenz des Flussdiagramms beendet.
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In diesem Fall wird basierend auf dem Wert des Stromsensors 64 bestätigt, dass die regenerative elektrische Leistung nicht vorhanden ist, und es wird aus den Werten (Vfc, Ifc) des Spannungssensors 18 und des Stromsensors 84 bestimmt, dass die Ursache des Risikos zum Überladen auf die überschüssige elektrische Energie der elektrischen FC-Leistung Pfc zurückgeht (Schritt S2: JA).
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Hierbei erzeugt in Schritt S3 die ECU 50 einen Befehl Ifc = 0 [A] für die FC 20 (den elektrischen FC-Leistungsunterbrechungsbefehl), und in Schritt S3 wird das Schaltelement S11 vom EIN-/AUS-Schaltzustand zum AUS-Zustand umgeschaltet, um den FC-Wandler 24 von dem Spannungs-Hochstufzustand zum Unterbrechungszustand zu schalten.
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In der Praxis wird zum Zeitpunkt t12 das Energieerzeugungsunterbrechungsanforderungsflag Fcutreq der FC 20 vom AUS-Zustand zum EIN-Zustand umgeschaltet (Schritt S3).
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Daher wird der FC-Wandler 24 vom Spannungs-Hochstufzustand zum gestoppten Zustand umgeschaltet (Schritt S3).
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Dann wird in Schritt S6 die elektrische Soll-FC-Leistung Pfctar von der elektrischen FC-Leistung Pfcc auf 0 [kW] gesetzt, und wird die Soll-FC-Spannung Vfctar auf die FC-Leerlaufspannung VfcOCV entsprechend der FC-Temperatur Tfc gesetzt.
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Gleichzeitig wird in Schritt S6 der BAT-Wandler 34 vom Direktverbindungszustand in der Laderichtung zu dem Spannungs-Hochstufzustand geschaltet, um die Batteriespannung Vbat in der Entladerichtung hochzustufen.
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Das heißt, während der Leerlaufstoppzeitspanne ab dem Zeitpunkt t12 bis zum Zeitpunkt t13 erhöht die ECU 50 die Inverterklemmen-Sollspannung Vinvtar als Sekundärspannungsbefehl für den BAT-Wandler 34 stufenweise, um die obige Gleichung 1 zu erfüllen.
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Da auf diese Weise die elektrische FC-Leistung Pfc unterbrochen wird (Pfc = 0 [kW]), wird der SOC der Batterie 30 nach dem Zeitpunkt t12 allmählich verringert, ohne die Obergrenze SOCupImt zu erreichen.
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Da in diesem Fall, während der Leerlaufstoppzeitspanne nach dem Zeitpunkt t12, Komponenten, wie etwa die Navigationsvorrichtung, die Beleuchtungsvorrichtung, die Klimaanlage etc. unter den Hilfsaggregaten 52 (Hilfsaggregatelast) im Betrieb sind, findet das Entladen der Batterie 30 statt, d. h. wird die elektrische Batterieleistung Pbat in eine elektrische Batterieleistung Pbatd versetzt (welche einen Entladezustand anzeigt). Es sollte angemerkt werden, dass das Laden der Batterie 30 bis zum Zeitpunkt t12 erfolgt, d. h. die elektrische Batterieleistung Pbat die elektrische Batterieleistung Pbatc ist (die einen Ladezustand anzeigt).
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Im Zeitdiagramm von 6 ist ein Vergleichsbeispiel, das keinerlei Gegenmaßnahme unterzogen wird, nach dem Zeitpunkt t12 mit unterbrochenen Linien gezeigt. In dem Vergleichsbeispiel wird die Inverterklemmenspannung Vinv nicht gesteuert, weil die Inverterklemmenspannung Vinv nicht in direktem Bezug zur elektrischen FC-Leistung Pfc steht. Daher wird nach dem Zeitpunkt t12 die Inverterklemmenspannung Vinv zur Inverterklemmenspannung Vinvice des Vergleichsbeispiels ohne jede Steuerung.
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Da nach dem Zeitpunkt t12 im Vergleichsbeispiel die elektrische Batterieleistung Pbat zur elektrischen Batterieleistung Pbatce zum Laden der Batterie wird, wird das Laden der Batterie fortgesetzt, und könnte die elektrische Batterieleistung Pbat die Batterieobergrenze SOCupImt unerwünscht überschreiten.
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Im Gegensatz hierzu wird im Steuerverfahren des modifizierten Beispiels des ersten Ausführungsbeispiels, während der Unterbrechung der elektrischen FC-Leistung Pfc, die elektrische Soll-FC-Leistung Pfctar auf Null gesetzt, und wird die Soll-FC-Spannung Vfctar auf die FC-Leerlaufspannung VfcOCV gesetzt. Darüber hinaus wird die Inverterklemmenspannung Vinv als die Sekundärspannung auf die Spannung hochgestuft, welche die FC-Leerlaufspannung VfcOCV überschreitet. Somit kann die elektrische FC-Leistung Pfc zuverlässig unterbrochen werden, und kann das Überladen der Batterie 30 geeignet vermieden werden.
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[Zweites Ausführungsbeispiel]
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8 ist ein Zeitdiagramm zur Erläuterung vom Betrieb des FC-Automobils 10 zur Ausführung des Steuerverfahrens des zweiten Ausführungsbeispiels.
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Während einer Zeitzeitspanne der allmählichen Beschleunigung des FC-Automobils 10 vom Zeitpunkt t20 bis zum Zeitpunkt t21, wo die angeforderte elektrische Motorleistung Pmreq allmählich erhöht wird, wird, um die allmähliche Zunahme der angeforderten elektrischen Motorleistung Pmreq abzudecken, die Inverterklemmenspannung Vinv (und ähnlich die Soll-Inverterklemmenspannung Vinvtar) allmählich erhöht, und wird auch die elektrische Soll-FC-Leistung Pfctat allmählich erhöht.
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Es sollte angemerkt werden, dass der allmähliche Anstieg der elektrischen Soll-FC-Leistung Pfctar durch die allmähliche Verringerung der Soll-FC-Spannung Vfctar erreicht wird (d. h. allmähliche Erhöhung des FC-Stroms Ifc).
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In der Praxis wird während der Zeitspanne ab dem Zeitpunkt t20 bis zum Zeitpunkt t21 die Sekundärspannung des BAT-Wandlers 34 auf die Soll-Inverterklemmenspannung Vinvtar gesetzt, und stuft der BAT-Wandler 34 die Spannung hoch, während das Spannungs-Hochstuf-Verhältnis Vinvtar/Vbat allmählich erhöht wird. Während der Zeitspanne ab dem Zeitpunkt t20 bis zum Zeitpunkt t21 senkt der FC-Wandler 24 das Spannungs-Hochstuf-Verhältnis Vinv/Vfctar allmählich ab.
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Während der Fahrt mit konstanter Geschwindigkeit (Konstantgeschwindigkeits-Zeitspanne) des FC-Automobils 10 ab dem Zeitpunkt t21 bis zum Zeitpunkt t22, wo die angeforderte elektrische Motorleistung Pmreq auf einem konstanten Wert gehalten wird, wird das Spannungs-Hochstuf-Verhältnis des BAT-Wandlers 34 derart gesteuert, dass die Sekundärspannung des BAT-Wandlers 34 zur Soll-Inverterklemmenspannung Vinvtar wird. Während der Zeitspanne ab dem Zeitpunkt t21 bis zum Zeitpunkt t22 wird das Spannungs-Hochstuf-Verhältnis des FC-Wandlers 24 derart gesteuert, dass die Soll-Primärspannung des FC-Wandlers 24 zur Soll-FC-Spannung Vfctar wird. Während der Zeitspanne ab dem Zeitpunkt t21 bis zum Zeitpunkt t22 wird der Gaspedalöffnungsgrad θap konstant gehalten.
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Während der Zeitspanne ab dem Zeitpunkt t21 bis zum Zeitpunkt t22 hat die elektrische Batterieladegrenzleistung PbatcImt, welche den zulässigen Betrag der elektrischen Ladeleistung der Batterie 30 angibt, einen Wert mit einer Bandbreite. Wenn die elektrische Batterieladegrenzleistung PbatcImt zu 0 [kW] wird, repräsentiert dies eine Situation, dass die elektrische Batterieladegrenzleistung PbatcImt keine Bandbreite hat.
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Ab dem Zeitpunkt t22 wird der Gaspedalöffnungsgrad θap allmählich verringert, und beginnt die Verzögerung des FC-Automobils 10. Zum Zeitpunkt t23 wird der Wert des Gaspedalöffnungsgrads θap zu Null (θap = 0, Pmreq = 0 [kW]), d. h. das Gaspedal wird losgelassen und beginnt die Regeneration während Verzögerung ab dem Zeitpunkt t23.
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Während der Zeitspanne ab dem Zeitpunkt t22 bis zum Zeitpunkt t23 wird das Spannungs-Hochstuf-Verhältnis des BAT-Wandlers 34 so gesteuert, dass die Inverterklemmenspannung Vinv abnimmt, und wird das Spannungs-Hochstuf-Verhältnis des FC-Wandlers 24 derart angesteuert, dass die Soll-FC-Spannung Vfctar ansteigt.
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Wenn zum Zeitpunkt t23 die Regeneration beginnt, wird der BAT-Wandler 34 vom Spannungs-Hochstufzustand zum Spannungs-Herabstufzustand geschaltet.
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Zum Zeitpunkt t23 wird das Laden der Batterie 30 durch Regeneration gestartet. Danach wird die Bandbreite der elektrischen Batterieladegrenzleistung PbatcImt rasch reduziert. Wenn zum Zeitpunkt t24 sich die Bandbreite an 0 [kW] annähert, schaltet die ECU 50 das Energieerzeugungsunterbrechungsanforderungsflag Fcutreq der FC 20 vom AUS-Zustand zum EIN-Zustand.
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Wenn das Energieerzeugungsunterbrechungsanforderungsflag Fcutreq im EIN-Zustand ist, startet die ECU 50 sofort den Prozess zum Fixieren der Soll-Inverterklemmenspannung Vinvtar, welche die Soll-Sekundärspannung des BAT-Wandlers 34 ist, zur Inverterklemmenspannung Vinv vom Zeitpunkt t24.
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Dann wird während der Zeitspanne ab dem Zeitpunkt t24 bis zum Zeitpunkt t25, wo die Inverterklemmenspannung Vinv fixiert ist, die Soll-FC-Spannung Vfctar als die Soll-Primärspannung des FC-Wandlers 24 auf die FC-Leerlaufspannung VfcOCV gesetzt, und wird die FC-Spannung Vfc durch den FC-Wandler 24 angehoben, so dass sie der Soll-FC-Spannung Vfctar folgt (durch lineares Reduzieren des Spannungs-Hochstuf-Verhältnisses des FC-Wandlers 24 wird die FC-Spannung Vfc näher an die FC-Leerlaufspannung VfcOCV gebracht).
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Wenn zum Zeitpunkt t25, durch den Betrieb des FC-Wandlers 24, die FC-Spannung Vfc gleich der FC-Leerlaufspannung VfcOCV wird, wird der Prozess zum Fixieren der Inverterklemmenspannung Vinv durch den BAT-Wandler 34 aufgehoben. Ab dem Zeitpunkt t25 kehrt der BAT-Wandler 34 zum Spannungs-Hochstufzustand zurück.
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Wenn zum Zeitpunkt t25 die FC-Spannung Vfc zur Leerlaufspannung VfcOCV wird, wird, da der Spannungs-Hochstufbetrieb des FC-Wandlers 24 gesperrt wird, der FC-Wandler 24 in den Unterbrechungszustand versetzt. Daher wird das Schaltelement S11 zum AUS-Zustand geschaltet.
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Zum Zeitpunkt t28 wird die elektrische Batterieladegrenzleistung PbatcImt niedriger als die Schwellenspannung Pbatth und es wird bestimmt, dass der Ladegrad der Batterie 30 ausreichend geworden ist. Dann wird das Energieerzeugungsunterbrechungsanforderungsflag Fcutreq vom EIN-Zustand zum AUS-Zustand umgeschaltet. Zum Zeitpunkt t28 wird der Unterbrechungszustand des FC-Wandlers 24 aufgehoben und wird der FC-Wandler 24 in den Spannungs-Hochstufzustand versetzt.
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Im Zeitdiagramm von 8 ist ein Vergleichsbeispiel, das keinerlei Gegenmaßnahme unterzogen wird, in der Zeitspanne vom Zeitpunkt t24 bis zum Zeitpunkt t26 mit unterbrochenen Linien gezeigt. Da in dem Vergleichsbeispiel der Prozess zum Fixieren der Inverterklemmenspannung Vinv während der Zeitspanne ab dem Zeitpunkt t24 bis zum Zeitpunkt t26 nicht durchgeführt wird, kann die Soll-FC-Spannung Vfctar nicht geeignet gesteuert werden. Im Vergleichsbeispiel könnte nach dem Zeitpunkt t24 die elektrische Batterieleistung Pbat die elektrische Batterieladegrenzleistung PbatcImt unerwünscht überschreiten.
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[Zusammenfassung des zweiten Ausführungsbeispiels]
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Das zweite Ausführungsbeispiel wird auch in Bezug auf das Flussdiagramm von 9 erläutert.
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Das FC-Automobil 10 zur Ausführung des Steuerverfahrens des FC-Automobils 10 gemäß dem obigen zweiten Ausführungsbeispiel enthält die FC 20 zum Erzeugen der FC-Spannung Vfc als Primärspannung, die Batterie 30 zum Erzeugen der Batteriespannung Vbat als die andere Primärspannung, den Inverter 14 zum Antreiben des Motors 12, den BAT-Wandler 34, der zwischen der Batterie 30 und dem Inverter 14 und konfiguriert ist, eine Spannungswandlung durchzuführen, sowie den FC-Wandler 24, der zwischen der FC 20 und dem Inverter 14 vorgesehen und konfiguriert ist, um eine Spannungswandlung durchzuführen.
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Wie oben in Bezug auf 8 beschrieben, wird in dem Steuerverfahren gemäß dem zweiten Vergleichsbeispiel in dem Sekundärspannungs-Setzschritt ab dem Zeitpunkt t20 bis zum Zeitpunkt t23 die Inverterklemmenspannung Vinv als die Sekundärspannung durch den FC-Wandler 24 und/oder den BAT-Wandler 34 entsprechend der angeforderten elektrischen Motorleistung Pmreq gesetzt.
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Ferner enthält das Steuerverfahren gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel einen zeitweiligen Sekundärspannungs-Fixierschritt (ab dem Zeitpunkt t24 bis zum Zeitpunkt t26, Schritt S13). Wenn in diesem Schritt während der Regeneration ab dem Zeitpunkt t23 bis zum Zeitpunkt t25 (Schritt S11: JA), zum Zeitpunkt t24 sich die Bandbreite der elektrischen Batterieladegrenzleistung PbatcImt Null annähert (PbatcImt ≈ 0, Schritt S12: JA), wird die Inverterklemmenspannung Vinv zeitweilig durch den BAT-Wandler 34 fixiert, wenn die Inverterklemmenspannung Vinv basierend auf einer Abnahme der angeforderten elektrischen Motorleistung Pmreq und/oder der elektrischen Regenerativleistung des Motors 12 abnimmt (Erzeugung der elektrischen Regenerativleistung beginnt zum Zeitpunkt t23 und endet zum Zeitpunkt t26).
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Da wie oben beschrieben durch das zeitweilige Fixieren der Inverterklemmenspannung Vinv, welche die Sekundärspannung ist, während der Zeitspanne ab dem Zeitpunkt t24 bis zum Zeitpunkt t25, in Schritt S14, die Steuerung derart implementiert werden kann, dass die FC-Spannung Vfc durch den FC-Wandler 24 linear angehoben wird, so dass sie zur FC-Leerlaufspannung VfcOCV wird, ist es möglich, das Risiko zu reduzieren, das die elektrische FC-Leistung Pfc von der FC 20 abgezogen wird, wodurch die Steuerbarkeit der FC-Spannung Vfc schlechter wird. Wenn die FC-Spannung Vfc zur FC-Leerlaufspannung VfcOCV wird (Schritt S14: JA, Zeitpunkt t25), wird in Schritt S15 das Fixieren der Inverterklemmenspannung Vinv durch den BAT-Wandler 34 aufgehoben.
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In diesem zweiten Ausführungsbeispiel wird die elektrische Batterieladegrenzleistung PbatcImt als Parameter verwendet. Alternativ kann, wie im Falle des ersten Ausführungsbeispiels und des modifizierten Beispiels des ersten Ausführungsbeispiels, das Verfahren auch den SOC-Erfassungsschritt zum Erfassen des SOC der Batterie 30 enthalten, und kann der zeitweilige Sekundärspannungs-Fixierschritt durchgeführt werden, wenn der erfasste SOC ein SOC-Schwellenwert oder darüber ist. Das heißt, falls der SOC der Batterie 30 gleich oder höher als der SOC-Schwellenwert ist, könnte das Laden der Batterie 30 verschwenderisch sein oder könnte in Überladen der Batterie 30 unerwünscht stattfinden. In diesem Fall ist es durch zeitweiliges Fixieren der Inverterklemmenspannung Vinv als die Sekundärspannung möglich, ein Überladen der Batterie 30 und eine Verschlechterung der Brennstoffausnutzung (elektrischen Energieeffizienz) des FC-Automobils 10 als das Brennstoffzellensystem zu verhindern.
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[Modifiziertes Beispiel des zweiten Ausführungsbeispiels]
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Wenn in dem obigen ersten Ausführungsbeispiel, wie im Bezug auf die 4 und 6 beschrieben, ein Risiko besteht, dass der SOC die Obergrenze SOCupImt aufgrund der überschüssigen elektrischen Leistung der FC 20 während des Leerlaufstopps überschreiten könnte, wird eine derartige Steuerung implementiert, dass die Inverterklemmenspannung Vinv stufenweise angehoben wird. Auch in dem Fall, wo das Gaspedal des FC-Automobils 10 im Verzögerungszustand ist, wo das Gaspedal gelöst ist, besteht ein Risiko des Überladens der Batterie 30 aufgrund der elektrischen Regenerativleistung. Wenn somit bestimmt wird, dass das FC-Automobil im Verzögerungszustand ist und daher ein Risiko des Überladens besteht, könnte der BAT-Wandler 34 und/oder der FC-Wandler 24 derart gesteuert werden, dass die Inverterklemmenspannung Vinv als die gemeinsame Sekundärspannung des BAT-Wandlers 34 und des FC-Wandlers 24 höher wird als die FC-Leerlaufspannung VfcOCV.
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Das heißt, normalerweise wird die Batterie 30 mit der elektrischen FC-Leistung Pfc geladen, welche während der Verzögerung des FC-Automobils 10 redundant wird (d. h. Überschussenergie). Wenn daher die elektrische FC-Leistung Pfc fortdauernd erzeugt wird (wenn die Stromerzeugung fortdauert), besteht ein Risiko, dass ein Überladen der Batterie 30 stattfindet. In diesem Fall kann durch Erhöhen der Inverterklemmenspannung Vinv, welche die Sekundärspannung ist, so dass sie höher wird als die FC-Leerlaufspannung VfcOCV, die Ausgabe von der FC 20 unterbrochen werden, und es wird möglich, ein Überladen der Batterie 30 zu verhindern.
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Es werden ein Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems, ein Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellenautomobils sowie ein Brennstoffzellenautomobil angegeben, um ein Überladen etc. einer Stromspeichervorrichtung (Batterie) mit überschüssiger elektrischer Energie zu verhindern, welche von einer Brennstoffzelle (FC) erzeugt wird. Wenn sich der SOC einer Batterie (30) einer Obergrenze annähert, besteht ein Risiko, dass ein Überladen der Batterie (30) auftreten könnte. In diesem Fall wird, unter Verwendung eines BAT-Wandlers (34), eine Inverterklemmenspannung (Vinv) auf die FC-Leerlaufspannung (VfcOCV) oder höher hochgestuft, wobei ein Hochstuf-FC-Wandler (24) in einen Unterbrechungszustand versetzt wird, um ein Überladen zu verhindern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2011-205735 A [0002, 0002, 0003, 0008, 0009]
