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HINTERGRUND
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Inbetriebsetzung eines Brennstoffzellenfahrzeugs und insbesondere ein Verfahren zum Steuern einer Inbetriebsetzung eines Brennstoffzellenfahrzeugs, um eine schnelle Startfähigkeit in einem Kaltstartzustand zu gewährleisten, indem eine Spannung einer Brennstoffzelle auf einen niedrigen Pegel eingestellt wird.
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2. Beschreibung des Standes der Technik
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Eine Brennstoffzelle wird in einem Niedrigtemperatur-Startzustand vorteilhafterweise mit einer niedrigen Spannung und einem hohen Strom betrieben und ein Einstellen der Spannung auf einen niedrigsten Pegel, der durch das System in demselben Leistungsabgabezustand erlaubt ist, führt zu einem Abgeben eines höchsten Stromes und einem Erhöhen der Temperatur der Brennstoffzelle. Ferner kann, auch wenn das Fahrzeug normal arbeitet (z. B. ohne Fehler), ein Durchführen einer Konstantspannungs-Betriebssteuerung unter einer bestimmten Leistungsabgabe den Hochpotentialzustand einer Brennstoffzelle minimieren, wodurch die Haltbarkeit der Brennstoffzelle verbessert wird.
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Die Brennstoffzelle weist eine Art von Beziehung zwischen dem Ausgangsstrom und der Ausgangsspannung auf. Wenn Brenngas (z. B. Luft und Wasserstoff) in ausreichender Weise zugeführt wird, verringert ein Erhöhen des Ausgangsstromes die Ausgangsspannung aufgrund verschiedener Polarisationsphänomene, die als I-V-Eigenschaften bezeichnet werden. Dementsprechend wird in einem Brennstoffzellensystem die Spannung einer Brennstoffzelle auf der Grundlage einer Stromlast der Brennstoffzelle bestimmt. Herkömmlicherweise bleibt, wie im Kaltstartzustand, wenn die Spannung einer Brennstoffzelle auf weniger als einen bestimmten Spannungspegel gehalten werden muss, selbst wenn eine Änderung der Fahrzeuglast vorliegt, die Spannung der Brennstoffzelle durch eine präzise Regelung des Wasserstoff-Brenngases konstant. Insbesondere weist eine schnelle Temperaturerhöhung der Brennstoffzelle, die in dem Kaltstart erforderlich ist, jedoch Einschränkungen auf, da es schwierig ist, die Spannung der Brennstoffzelle in ausreichender Weise zu verringern.
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Die obigen Informationen sind als Hintergrundinformationen lediglich zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung dargelegt. Es ist keine Bestimmung vorgenommen worden und es wird keine Behauptung aufgestellt, ob irgendetwas des Vorstehenden als Stand der Technik in Bezug auf die vorliegende Erfindung anwendbar sein könnte.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Demzufolge stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Steuern einer Inbetriebsetzung eines Brennstoffzellenfahrzeugs bereit, um eine Wartezeit der Zündung durch eine schnelle Temperaturerhöhung der Brennstoffzelle in einem Kaltstartzustand zu verringern.
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Die vorliegende Erfindung stellt bereit ein Verfahren zum Steuern einer Inbetriebsetzung eines Brennstoffzellenfahrzeugs, das umfassen kann ein Starten, durch eine Steuerung, um eine Zufuhr von Wasserstoff und Luft an eine Brennstoffzelle einzustellen/anzupassen (Startvorbereitungsschritt), Einstellen, durch die Steuerung, einer Steuerspannung einer Seite eines Hauptbusendes eines zwischen dem Hauptbusende und einer Hochspannungsbatterie angeordneten Wandlers auf eine vorgegebene niedrigste Steuerspannung (Spannungsvorbereitungsschritt), und Vergleichen, durch die Steuerung, einer Ausgangsspannung einer Seite eines Hauptbusendes der Brennstoffzelle und der Steuerspannung der Seite des Hauptbusendes des Wandlers, und Einstellen, durch die Steuerung, einer Luftmengenzufuhr an die Brennstoffzelle auf der Grundlage des Vergleichs (Hauptsteuerungsschritt).
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Der Startvorbereitungsschritt kann ein Einstellen/Anpassen, durch die Steuerung, des Öffnens eines Wasserstoffventils und eine Luftventils umfassen. Der Hauptsteuerungsschritt kann ein Erhöhen einer Luftmengenzufuhr an die Brennstoffzelle umfassen, wenn die Ausgangsspannung der Seite des Hauptbusendes der Brennstoffzelle aufrechterhalten wird, dass sie der Steuerspannung der Seite des Hauptbusendes des Wandlers entspricht. Zusätzlich kann der Hauptsteuerungsschritt ein Verringern einer Luftmengenzufuhr an die Brennstoffzelle umfassen, wenn die Ausgangsspannung der Seite des Hauptbusendes der Brennstoffzelle größer als die Steuerspannung der Seite des Hauptbusendes des Wandlers ist. Der Hauptsteuerungsschritt kann ferner umfassen ein Bestimmen, durch die Steuerung, ob sich eine Hochspannungsbatterie in einem vollständig geladenen Zustand befindet, und Erhöhen einer Luftmengenzufuhr an die Brennstoffzelle, wenn sich die Hochspannungsbatterie nicht in dem vollständig geladenen Zustand befindet.
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Weiterhin kann der Hauptsteuerungsschritt umfassen ein Vergleichen, durch die Steuerung, einer Lademenge der Hochspannungsbatterie mit einer vorgegebenen maximalen Lademenge, um zu bestimmen, ob sich die Hochspannungsbatterie in dem vollständig geladenen Zustand befindet, und Vergleichen, durch die Steuerung, eines Ladestromes der Hochspannungsbatterie mit einem vorgegebenen maximalen Ladestrom, um zu bestimmen, ob sich die Hochspannungsbatterie in dem vollständig geladenen Zustand befindet. Der Hauptsteuerungsschritt kann umfassen ein Bestimmen, durch die Steuerung, ob sich eine Hochspannungsbatterie in einem vollständig geladenen Zustand befindet, und Erhöhen einer Luftmengenzufuhr an die Brennstoffzelle, wenn sich die Hochspannungsbatterie nicht in dem vollständig geladenen Zustand befindet, und Verringern einer Luftmengenzufuhr an die Brennstoffzelle, wenn sich die Hochspannungsbatterie in dem vollständig geladenen Zustand befindet und die Ausgangsspannung der Seite des Hauptbusendes der Brennstoffzelle größer als eine niedrigste Steuerspannung ist. Die Steuerung kann eingerichtet sein, um den Hauptsteuerungsschritt in vorgegebenen regelmäßigen Zeitintervallen durchzuführen.
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Der Hauptsteuerungsschritt kann umfassen, wenn die Hochspannungsbatterie vollständig geladen ist und die Ausgangsspannung der Seite des Hauptbusendes der Brennstoffzelle kleiner als die niedrigste Steuerspannung ist, ein Verringern einer Luftmengenzufuhr an die Brennstoffzelle, wenn die Ausgangsspannung der Seite des Hauptbusendes der Brennstoffzelle auf einen Pegel ansteigt, der größer als eine Ausgangsspannung von dem vorherigen Hauptsteuerungsschritt ist, und Erhöhen einer Luftmengenzufuhr an die Brennstoffzelle, wenn die Ausgangsspannung der Seite des Hauptbusendes der Brennstoffzelle auf einen Pegel abnimmt, der kleiner als die Ausgangsspannung von dem vorherigen Hauptsteuerungsschritt ist.
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Zusätzlich kann der Hauptsteuerungsschritt durch die Steuerung in vorgegebenen regelmäßigen Zeitintervallen durchgeführt werden und ein Zwischensteuerungsschritt kann durch die Steuerung zwischen Hauptsteuerungsschritten durchgeführt werden, der Zwischensteuerungsschritt aufweisend ein Einstellen/Anpassen einer Luftmengenzufuhr auf der Grundlage einer Einstellung einer Luftmengenzufuhr, die in dem vorherigen Hauptsteuerungsschritt durchgeführt worden ist. Der Zwischensteuerungsschritt kann umfassen ein Beibehalten einer Luftmengenzufuhr mit einem zweiten Reduzierungsbetrag bzw. Reduzierungsmenge, bis ein nächster Hauptsteuerungsschritt durchgeführt wird, wenn die Luftmengenzufuhr in dem vorherigen Hauptsteuerungsschritt zugenommen hat. Der Zwischensteuerungsschritt kann umfassen ein Verringern/Reduzieren einer Luftmengenzufuhr um einen ersten Reduzierungsbetrag bzw. Reduzierungsmenge, bis ein nächster Hauptsteuerungsschritt durchgeführt wird, wenn die Luftmengenzufuhr in dem vorherigen Hauptsteuerungsschritt abgenommen hat.
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Der erste Reduzierungsbetrag kann kleiner als ein Reduzierungsbetrag der Luftzufuhr in dem vorherigen Steuerschritt sein. Der Zwischensteuerungsschritt kann ferner umfassen ein Reduzieren/Verringern einer Luftmengenzufuhr um einen zweiten Reduzierungsbetrag bzw. Reduzierungsmenge, bis ein nächster Hauptsteuerungsschritt durchgeführt wird, wenn die Luftmengenzufuhr in dem vorherigen Hauptsteuerungsschritt beibehalten worden ist. Der Zwischensteuerungsschritt kann umfassen ein Reduzieren/Verringern einer Luftmengenzufuhr um einen zweiten Reduzierungsbetrag bzw. Reduzierungsmenge, bis ein nächster Hauptsteuerungsschritt durchgeführt wird, wenn die Luftmengenzufuhr in dem vorherigen Hauptsteuerungsschritt beibehalten worden ist, wobei der zweite Reduzierungsbetrag kleiner als der erste Reduzierungsbetrag ist.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die obigen und weiteren Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen klarer verständlich. In den Figuren zeigen/beschreiben:
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1 und 2 Strom-Spannungs-Graphen, die eine Zielsetzung eines Verfahrens zum Steuern einer Inbetriebsetzung eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellen;
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3 ein Blockdiagramm eines Systems eines Brennstoffzellenfahrzeugs zum Durchführen eines Verfahrens zum Steuern einer Inbetriebsetzung eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4 ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Steuern einer Inbetriebsetzung eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt;
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5 ein Flussdiagramm, das einen Zwischensteuerungsschritt in einem Verfahren zum Steuern einer Inbetriebsetzung eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Es versteht sich, dass der Ausdruck ”Fahrzeug” oder ”Fahrzeug-” oder andere gleichlautende Ausdrücke wie sie hierin verwendet werden, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen wie z. B. Personenkraftwagen einschließlich Sports Utility Vehicles (SUV), Busse, Lastwägen, verschiedene Nutzungsfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, einschließlich einer Vielfalt von Booten und Schiffen, Luftfahrzeugen und dergleichen einschließen, und Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-In-Hybridelektrofahrzeuge, wasserstoffgetriebene Fahrzeuge und andere Fahrzeuge mit alternativen Kraftstoff umfassen (beispielsweise Kraftstoff, der von anderen Quellen als Erdöl gewonnen wird).
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Obwohl das Ausführungsbeispiel derart beschrieben wird, dass es eine Mehrzahl von Einheiten verwendet, um den beispielhaften Prozess bzw. das beispielhafte Verfahren durchzuführen, versteht es sich, dass die beispielhaften Prozesse/Verfahren auch durch ein oder eine Mehrzahl von Modulen durchgeführt werden können. Zusätzlich 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 diese Module auszuführen, um einen oder mehrere Prozesse/Verfahren durchzuführen, die weiter unten beschrieben werden.
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Weiterhin 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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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben. Es wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen, in denen dieselben Bezugszeichen überall in den verschiedenen Zeichnungen verwendet werden, um die gleichen oder ähnlichen Komponenten zu bezeichnen. Insbesondere können die hierin beschriebenen verschiedenen Verfahren durch eine Steuerung mit einem Speicher und einem Prozessor ausgeführt werden.
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1 und 2 zeigen Strom-Spannungs-Graphen, die eine Zielsetzung eines Verfahrens zum Steuern einer Inbetriebsetzung eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellen, 3 zeigt ein Blockdiagramm eines Systems eines Brennstoffzellenfahrzeugs zum Durchführen eines Verfahrens zum Steuern einer Inbetriebsetzung eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, 4 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Steuern einer Inbetriebsetzung eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt, und 5 zeigt ein Flussdiagramm, das einen Zwischensteuerungsschritt in einem Verfahren zum Steuern einer Inbetriebsetzung eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.
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1 und 2 zeigen Strom-Spannungs-Graphen, die eine Zielsetzung eines Verfahrens zum Steuern einer Inbetriebsetzung eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellen. In einem Niedrigtemperatur-Startzustand einer Brennstoffzelle sollte die Brennstoffzelle für einen Betrieb durch maximales Aufheizen in einer kurzen Zeit zur Temperaturerhöhung verfügbar sein. Während des Kaltstarts kann eine konstante Ausgangsleistung durch Selbsterwärmung durch niedereffizientes Antreiben eines Motors unabhängig von dem Eingangsspannungspegel verbraucht werden und die Innentemperatur der Brennstoffzelle kann so hoch wie die Leistungsaufnahme erhöht werden.
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In
1 ist eine Betriebskurve unter einer Bedingung, dass Luft und Wasserstoffgas ausreichend sind, als ➀ gezeigt. In dieser Hinsicht kann, wenn ein Motor und Wechselrichter (Inverter) eine Ausgangsleistung (a × A) verbrauchen, die als eine Fläche aus X + Y dargestellt ist, die Brennstoffzelle im Betriebspunkt
mit dem Strom A und der Spannung a arbeiten. Wenn die Brennstoffzelle in
arbeitet, kann die Brennstoffzelle die innere Wärme aus A × (c – a), die als Fläche M dargestellt ist, wie in
2 gezeigt, abgeben. Insbesondere verursacht ein Reduzieren der Luftzufuhr eine allmähliche Verschlechterung der Leistung der Brennstoffzelle aufgrund einer Reduktion der Sauerstoffkonzentration und der Betriebspunkt kann sich in der Richtung von
zu
bewegen. Da der Motor und Wechselrichter eine im Wesentlichen konstante Leistung aufnehmen, wenn die Leistung der Brennstoffzelle verschlechtert wird, kann der Strom ansteigen und die Spannung kann abnehmen. Der Heizwert der Brennstoffzelle wird B × (c – b), was einen starken Anstieg des Heizwertes bedeutet, der als Fläche M + N dargestellt ist. Demzufolge ist bei einer im Wesentlichen konstanten Ausgangsleistung ein Betrieb, der auf ein Verringern der Spannung und Erhöhen des Stromes ausgerichtet ist, für die Auflösung und den Temperaturanstieg der Brennstoffzelle sehr vorteilhaft.
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In der Zwischenzeit können, auch wenn die Spannung der Brennstoffzelle verringert wird und somit die Leistungsabgabe durch eine Hochspannungsbatterie unterstützt wird, wenn die Spannung unter einen bestimmten Spannungspegel abgenommen hat, Zubehörteile, Wandler, Wechselrichter usw. nicht betrieben werden. Wenn Hochspannungsteile ausgelegt sind, um bei einer solchen niedrigen Spannung zu arbeiten, kann ein erforderlicher Bereich von Spannungs-(Strom-)Spezifikationen in hohem Maße ausgedehnt werden, was zu einer Erhöhung der Kosten führt, und somit ist es vorteilhaft, um die Teile derart auszulegen, dass sie nur innerhalb eines bestimmten Spannungsbereichs arbeiten. Dementsprechend kann die Spannung einer Brennstoffzelle auf mehr als einen bestimmten Spannungspegel gehalten werden. Daher ist, um die Kaltstartfähigkeit einer Brennstoffzelle zu gewährleisten, eine Konstantspannungsoperation bei einem von dem System zugelassenen minimalen Spannungspegel erforderlich.
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Weiterhin kann, während Wasserstoff auf normale Weise zugeführt wird, die Leistung nicht weiter verbessert werden, selbst wenn die Luftmengenzufuhr zunimmt. Im Gegensatz dazu beginnt die Leistung der Brennstoffzelle abzunehmen (z. B. herabsetzen) und eine Leistungsänderung wird auf der Grundlage der Luftmengenzufuhr beobachtet, wenn Verringerung der Luftmengenzufuhr im Vergleich zu der normalen Luftmengenzufuhr beginnt. Während die Brennstoffzelle betrieben wird, um eine konstante Leistung abzugeben, wenn ein Luftkompressor bei einer festen Drehzahl (revolution per minute (rpm) – Umdrehungen pro Minute (U/min) innerhalb in etwa 30% eines gesamten Drehzahlbereichs des Kompressors betrieben wird und ein Ausmaß eines Öffnens eines Luftaustritt-Öffnungsventils der Brennstoffzelle eingestellt werden kann, um die Luftmengenzufuhr zu reduzieren, kann eine Zeitverzögerung in einem gewissen Ausmaß auftreten, bis eine Änderung der Luftzufuhr durch das öffnen des Ventils tatsächlich die Brennstoffzelle beeinflusst und von der Brennstoffzelle reflektiert wird.
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Demzufolge kann, während ein geringerer Luftstrom als ein normaler Luftstrom zugeführt wird, die Spannung der Brennstoffzelle als Reaktion sogar auf eine minimale Änderung der Luftzufuhr empfindlich schwanken (kann beispielsweise leicht schwanken), und wenn eine Änderung des Luftstromes auf der Grundlage des derzeitigen Spannungspegels vorgenommen wird, kann der Effekt der Spannungsschwankungen mit einer gewissen Zeitverzögerung auftreten, da die Systemreaktion während des geringen Luftstromes verringert ist, und somit kann es schwierig sein, die Spannung in einem im Wesentlichen konstanten gewünschten Bereich zu betreiben. Dementsprechend müssen die vorgenannten Eigenschaften eines Brennstoffzellensystems reflektiert werden, um eine Konstantspannungsregelung durchzuführen.
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3 zeigt ein Blockdiagramm eines Systems eines Brennstoffzellenfahrzeugs zum Durchführen eines Verfahrens zum Steuern einer Inbetriebsetzung eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Wenn ein Motor durch Selbsterwärmung während des Kaltstarts konstant eine Ausgangsleistung A verbraucht bzw. aufnimmt, kann die Ausgangsleistung C und B durch eine Brennstoffzelle 100 beziehungsweise einen Wechselrichter 300 zugeführt werden (A = B + C). Hinsichtlich der Temperaturerhöhung der Brennstoffzelle, wenn die Batterie 400 betrieben wird, um wo immer möglich geladen zu werden (B ist negativ), wird C maximiert, was für eine Temperaturerhöhung der Brennstoffzelle 100 vorteilhaft ist. Darüber hinaus, wenn die Spannung E der Brennstoffzelle 100 mit einer durch das System zulässigen niedrigsten Spannung betrieben wird, liegt der Betriebspunkt dort, wo die Leistung der Temperaturerhöhung pro Stunde optimal wäre.
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Wenn die Luftmengenzufuhr übermäßig ist (z. B. größer als eine vorgegebene Menge), auch wenn die Batterie 400 in einem Lademodus betrieben wird und die von dem Motor 500 aufgenommene Ausgangsleistung vollständig von der Brennstoffzelle 100 zugeführt wird, kann ein Leistungsüberschuss an der Brennstoffzelle 100 auftreten und die Brennstoffzelle 100 kann bei einer Spannung E > D betrieben werden, was es unmöglich macht, auf einer niedrigsten Spannung, wie oben beschrieben, zu bleiben. Ferner kann, wenn die Luftmengenzufuhr unzureichend ist, die Leistung der Brennstoffzelle 100 zum Zuführen einer Ausgangsleistung unzureichend werden, und somit kann der Wechselrichter 300 betrieben werden, um die Hochspannungsbatterie 400 zu entladen, um die Steuersollspannung (Steuerbefehlsspannung) zu erfüllen. Obwohl die gewünschte Spannung D beibehalten werden kann, kann die Hochspannungsbatterie 400 entladen werden, d. h., eine Situation, in der B positiv ist, und somit kann die Stapelausgangsleistung C der Brennstoffzelle 100 reduziert werden. Somit kann es schwierig sein, den Heizwert der Brennstoffzelle 100 auf einem höchsten Niveau zu halten. Demzufolge, um die Spannung E auf der gewünschten niedrigsten Spannung D zu halten, während die Batterie 400 betrieben wird, um geladen zu werden, erfordert die Luftmengenzufuhr eine genauere Einstellung.
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4 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Steuern einer Inbetriebsetzung eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Ein Verfahren zum Steuern einer Inbetriebsetzung eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß der vorliegenden Erfindung kann umfassen ein Starten, durch eine Steuerung, zum Einstellen/Anpassen einer Zufuhr von Wasserstoff und Luft an eine Brennstoffzelle (Startvorbereitungsschritt) in S100, Einstellen, durch die Steuerung, einer Steuerspannung einer Seite eines Hauptbusendes eines zwischen dem Hauptbusende und einer Hochspannungsbatterie angeordneten Wandlers auf eine vorgegebene niedrigste Steuerspannung (Spannungsvorbereitungsschritt) in s130, und Vergleichen, durch die Steuerung, einer Ausgangsspannung einer Seite eines Hauptbusendes der Brennstoffzelle und der Steuerspannung der Seite des Hauptbusendes des Wandlers, und Einstellen/Anpassen, durch die Steuerung, einer Luftmengenzufuhr an die Brennstoffzelle auf der Grundlage des Vergleichs (Hauptsteuerungsschritt) in S200.
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Insbesondere kann die Steuerung 200 zuerst eingerichtet sein, um auf der Grundlage von z. B. der Temperatur der Brennstoffzelle bei der Zündung der Brennstoffzelle zu bestimmen, ob sie sich in einer Kaltstartbedingung befindet. Insbesondere kann ein Temperatursensor der Brennstoffzelle 100 verwendet werden, um die Temperatur der Brennstoffzelle in der Zündung derselben zu messen. Wenn die Kaltstartbedingung erfasst wird, können zuerst Wasserstoff und Luft in S110, S120 zugeführt werden. Dementsprechend kann die Steuerung eingerichtet sein, um die Zufuhr von Wasserstoff und Luft an die Brennstoffzelle 100 (S100, S110, S120) durch Öffnen eines Wasserstoffventils 30 und eines Luftversorgungsventils 10 einzustellen. Mit anderen Worten kann, in dem Startvorbereitungsschritt, die Steuerung 200 eingerichtet sein, um das Wasserstoffventil 30 und das Luftversorgungsventil 10 an der Seite eines Wasserstofftanks 600 zu öffnen.
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Die Steuerung 200 kann dann eingerichtet sein, um den Spannungsvorbereitungsschritt S130 auszuführen, um eine Steuerspannung einer Seite eines Hauptbusendes des Wandlers 300, der zwischen dem Hauptbusende und der Hochspannungsbatterie 400 angeordnet ist, auf eine vorgegebene niedrigste Steuerspannung einzustellen. Der Wandler 300 kann eingerichtet sein, um die Spannung der Seite des Hauptbusendes auf die niedrigste Steuerspannung einzustellen, die durch die Steuerung 200 eingestellt wird. Die Steuerung 200 kann eingerichtet sein, um die Ausgangsspannung E einer Seite des Hauptbusendes der Brennstoffzelle 100 und die Steuerspannung D der Seite des Hauptbusendes des Wandlers 300 zu vergleichen und eine Luftmengenzufuhr der Brennstoffzelle 100 einzustellen.
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Insbesondere kann die Steuerung 200 eingerichtet sein, um die Luftmengenzufuhr an die Brennstoffzelle 100 zu erhöhen, wenn die Ausgangsspannung E der Seite des Hauptbusendes der Brennstoffzelle 100 auf der Steuerspannung D der Seite des Hauptbusendes des Wandlers 300 bleibt. In dem Hauptsteuerungsschritt S200 kann die Steuerung 200 eingerichtet sein, um die Luftmengenzufuhr an die Brennstoffzelle 100 zu verringern, wenn die Ausgangsspannung E der Seite des Hauptbusendes der Brennstoffzelle 100 größer als die Steuerspannung D der Seite des Hauptbusendes des Wandlers 300 ist. Insbesondere kann die Steuerung 200 eingerichtet sein, um zu bestimmen, ob sich die Hochspannungsbatterie 400 in dem vollständig geladenen Zustand befindet, und um den Hauptsteuerungsschritt S200 auszuführen, um eine Luftmengenzufuhr an die Brennstoffzelle zu erhöhen, wenn sich die Hochspannungsbatterie 400 nicht in dem vollständig geladenen Zustand befindet.
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Wenn die Luftmengenzufuhr ausreichend ist, kann die Leistung der Brennstoffzelle 100 zum Zuführen einer Ausgangsleistung unzureichend werden und somit kann der Wandler 300 betrieben werden, um die Hochspannungsbatterie 400 zu entladen, um die Steuersollspannung D zu erfüllen. Obwohl die gewünschte Spannung D beibehalten werden kann, kann die Batterie 400 entladen werden, d. h., eine Situation, in der B positiv ist, und somit kann die Stapelausgangsleistung C der Brennstoffzelle 100 reduziert werden, was Schwierigkeiten beim Halten des Heizwertes der Brennstoffzelle 100 auf einem höchsten Niveau verursacht. Demzufolge kann die Luftzufuhr an der Brennstoffzelle erhöht werden, wenn sich die Hochspannungsbatterie 400 nicht in dem vollständig geladenen Zustand befindet.
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Die Steuerung 200 kann ferner eingerichtet sein, um die Menge der an die Brennstoffzelle 100 zuzuführenden Luft durch Betreiben des Luftversorgungsventils 10, das an dem vorderen Ende der Brennstoffzelle 100 angeordnet ist, eines Luftgebläses 800, eine Luftaustrittventils 20 an dem hinteren Ende einer Befeuchtungsvorrichtung 700 usw. einzustellen. Die Einstellung der Luftstrommenge kann durch Einstellen der Drehzahl des Luftgebläses 800 zusätzlich zum Einstellen des Öffnungsgrades des Luftaustrittventils 20 an dem hinteren Ende der Befeuchtungsvorrichtung 700 erfolgen. Wie bei einem Tragflügelverdichter, kann er jedoch nicht mit weniger als einer bestimmten Drehzahl betrieben werden, was es schwierig macht, eine Konstantspannungsregelung nur durch die Drehzahlregelung durchzuführen. In dieser Hinsicht weist ein Ventilsteuerungsansatz eine schnelle Stapelspannungsreaktion anstelle des Drehzahlregelungsansatzes auf und kann den Luftkompressor bei einer festen Drehzahl betreiben, wodurch zusätzliche Geräusche reduziert werden.
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Außerdem kann in dem Hauptsteuerungsschritt S200 die Steuerung 200 eingerichtet sein, um zu bestimmen, ob sich die Hochspannungsbatterie 400 in dem vollständig geladenen Zustand befindet, indem eine Lademenge der Hochspannungsbatterie 400 mit einer vorgegebenen maximalen Lademenge der Hochspannungsbatterie 400 verglichen wird. Alternativ kann in dem Hauptsteuerungsschritt S200 die Steuerung 200 eingerichtet sein, um zu bestimmen, ob sich die Hochspannungsbatterie 400 in dem vollständig geladenen Zustand befindet, indem eine Lademenge der Hochspannungsbatterie 400 mit einer vorgegebenen maximalen Lademenge verglichen wird. Demzufolge kann die Hochspannungsbatterie 400 betrieben werden, um vollständig für die Brennstoffzelle geladen zu werden, um eine Last bis zu dem maximalen Ausmaß zu verbrauchen. Insbesondere kann, wie in 4 gezeigt, die Luftmengenzufuhr so weit wie durch Multiplizieren einer Differenz zwischen dem derzeitigen Ladestrom der Hochspannungsbatterie 400 und dem vorgegebenen maximalen Ladestrom mit einem festgesetzten/eingestellten Koeffizienten in S210 skaliert, erhöht werden.
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In dem Hauptsteuerungsschritt S200 kann, wenn sich die Hochspannungsbatterie 400 in dem vollständig geladenen Zustand befindet und die Ausgangsspannung der Seite des Hauptbusendes der Brennstoffzelle 100 größer als eine niedrigste Steuerspannung ist, die Steuerung 200 eingerichtet sein, um die Luftmengenzufuhr an die Brennstoffzelle 100 in S220, S230 zu reduzieren. Wenn die Luftmengenzufuhr übermäßig ist (z. B. größer als eine vorgegebene Menge), selbst wenn die Hochspannungsbatterie 400 in einem Lademodus betrieben wird und die von dem Motor 500 aufgenommene Ausgangsleistung vollständig von der Brennstoffzelle 100 zugeführt wird, kann ein Leistungsüberschuss an der Brennstoffzelle 100 auftreten und am Ende kann die Brennstoffzelle 100 bei der Spannung E > D betrieben werden, um somit die Brennstoffzelle 100 wie oben beschrieben, auf einer niedrigsten Spannung zu halten. Demzufolge kann, trotzdem, dass sich die Hochspannungsbatterie 400 in dem vollständig geladenen Zustand befindet, wenn die Ausgangsspannung der Seite des Hauptbusendes der Brennstoffzelle 100 größer als die niedrigste Steuerspannung ist, die Ausgangsspannung der Seite des Hauptbusendes der Brennstoffzelle 100 auf die niedrigste Steuerspannung reduziert werden, indem die Luftmengenzufuhr an die Brennstoffzelle reduziert wird. Insbesondere kann das derzeitige Ausmaß eines Öffnens A des Luftaustritt-Öffnungsventils der Brennstoffzelle eingestellt werden, dass es um einen vorgegebenen konstanten Wert c in S230 verringert wird. Die Steuerung 200 kann ebenfalls eingerichtet sein, um den Hauptsteuerungsschritt S200 in vorgegebenen regelmäßigen Intervallen durchzuführen.
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In dem Hauptsteuerungsschritt S200 kann, wenn sich die Hochspannungsbatterie 400 in dem vollständig geladenen Zustand befindet und die Ausgangsspannung der Seite des Hauptbusendes der Brennstoffzelle kleiner als die niedrigste Steuerspannung ist, wenn die Ausgangsspannung der Seite des Hauptbusendes der Brennstoffzelle 100 auf einen Pegel ansteigt, der größer als die Ausgangsspannung in dem vorherigen Hauptsteuerungsschritt S200 ist, die Steuerung 200 eingerichtet sein, um die Luftmengenzufuhr an die Brennstoffzelle 100 zu reduzieren, und wenn die Luftmengenzufuhr abnimmt, kann die Steuerung 200 eingerichtet sein, um die Luftmengenzufuhr an die Brennstoffzelle 100 in S240 zu erhöhen.
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Mit anderen Worten kann, wenn sich die Batterie 400 in dem vollständig geladenen Zustand befindet und die Spannung so niedrig wie möglich ist, bestimmt werden, dass die Brennstoffzelle in einem niedereffizienten Modus zur Temperaturerhöhung arbeitet, und dieser Zustand kann beibehalten werden, wenn die derzeitige Ausgangsspannung der Seite des Hauptbusendes der Brennstoffzelle 100 auf einen Pegel zunimmt, der größer als die Ausgangsspannung der Seite des Hauptbusendes der Brennstoffzelle 100 in dem vorherigen Hauptsteuerungsschritt S200 ist, der in einem Speicher gespeichert wird, und die Steuerung 200 kann eingerichtet sein, um die Luftmengenzufuhr zu reduzieren, um die Ausgangsspannung der Seite des Hauptbusendes der Brennstoffzelle 100 auf dem niedrigsten Spannungspegel zu halten. Demzufolge kann die Steuerung 200 eingerichtet sein, um eine Differenz zwischen der derzeitigen Spannung und der Spannung, die aus dem vorherigen Hauptsteuerungsschritt entsteht, mit einem Koeffizienten b zu multiplizieren, und um das Ergebnis der Multiplikation auf das Ausmaß eines Öffnens der Luftaustritt-Öffnungsventils der Brennstoffzelle in S240 zu reflektieren.
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Die Steuerung 200 kann die Inbetriebsetzung in S300 beenden, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 100 zunimmt, während der Hauptsteuerungsschritt S200 durchgeführt wird. Insbesondere kann die Steuerung 200 eingerichtet sein, um einen Zustand zu erfassen, bei dem die Temperatur ausreichend erhöht wird, z. B. durch einen Temperatursensor, oder die Steuerung 200 kann den Inbetriebsetzungsprozess als Reaktion auf ein Bestimmen, dass sich der Betriebspunkt der Brennstoffzelle 100 in einem normalen Zustand befindet, stoppen. Nach Beendigung der Inbetriebsetzung können Wasserstoff und Luft aktiv zugeführt werden, um das Fahrzeug laufen zu lassen.
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5 zeigt ein Flussdiagramm, das einen Zwischensteuerungsschritt in einem Verfahren zum Steuern einer Inbetriebsetzung eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Ein Zwischensteuerungsschritt S310 kann zwischen den Hauptsteuerungsschritten durchgeführt werden. In dem Zwischensteuerungsschritt S310 kann, wenn die Luftmengenzufuhr in dem vorherigen Hauptsteuerungsschritt ansteigt, in S311, S312 die Luftmengenzufuhr beibehalten werden, bis der nächste Hauptsteuerungsschritt durchgeführt wird. Weiterhin kann in dem Zwischensteuerungsschritt S310, wenn die Luftmengenzufuhr in dem vorherigen Hauptsteuerungsschritt reduziert wird, in S313, S314 die Luftmengenzufuhr um einen ersten Verringerungsbetrag reduziert werden, bis der nächste Hauptsteuerungsschritt durchgeführt wird.
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Außerdem kann in dem Zwischensteuerungsschritt S310, wenn die Luftmengenzufuhr indem vorherigen Hauptsteuerungsschritt beibehalten worden ist, in S315, S316, die Luftmengenzufuhr um einen zweiten Verringerungsbetrag reduziert werden, wobei der zweite Verringerungsbetrag kleiner als der erste Verringerungsbetrag ist. Der erste Verringerungsbetrag kann kleiner als ein Verringerungsbetrag der Luftzufuhr in dem vorherigen Steuerungsschritt sein. Während die Temperatur der Brennstoffzelle zunimmt, wenn die Temperaturzunahme innerhalb der Brennstoffzelle 100 anhält, kann die Menge der von der Brennstoffzelle 100 erforderlichen Luft abnehmen, um die gleiche Spannung bei der gleichen Leistungsabgabe beizubehalten. Demzufolge kann bestimmt werden, dass das Zwischensteuerungsverfahren diese Richtwirkung des Betriebs berücksichtigt. Wenn die Luftmengenzufuhr aus dem vorherigen Hauptsteuerungsschritt zugenommen hat, kann die erhöhte Luftmengenzufuhr bis zum nächstes Hauptsteuerungsschritt beibehalten werden; Andernfalls kann, wenn die Luftmengenzufuhr von dem vorherigen Hauptsteuerungsschritt beibehalten worden ist oder reduziert worden ist, die Luftmengenzufuhr minimal reduziert werden, da eine Situation, in der die erforderliche Luftmenge allmählich im Laufe der Zeit abnehmen würde, berücksichtigt wird. Gemäß Ausführungsbeispielen eines Verfahrens zum Steuern einer Inbetriebsetzung eines Brennstoffzellenfahrzeugs kann eine Wartezeit einer Zündung reduziert werden, indem die Temperatur der Brennstoffzelle in einem Kaltstartzustand schnelle erhöht wird.
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Obwohl die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung für veranschaulichende Zwecke offenbart worden ist, wird ein Fachmann erkennen, dass verschiedene Modifikationen, Hinzufügungen und Ersetzungen möglich sind, ohne von dem Umfang und der Lehre der Erfindung, wie sie in den beigefügten Ansprüchen offenbart wird, abzuweichen.