DE102017103324B4 - Spannungssteuersystem, Brennstoffzellensystem und Steuerverfahren für das Spannungssteuersystem - Google Patents

Spannungssteuersystem, Brennstoffzellensystem und Steuerverfahren für das Spannungssteuersystem Download PDF

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Abstract

Spannungssteuersystem, das eine Ausgabespannung in Abhängigkeit eines Stromzielwerts steuert, wobei das Spannungssteuersystem aufweist:eine Wandlervorrichtung (11), die eine Spule (61) enthält, die eine elektrische Energie akkumuliert, wobei die Wandlervorrichtung derart konfiguriert ist, dass sie bei einer relativen Einschaltdauer arbeitet, die als ein Verhältnis einer akkumulierten Dauer ermittelt wird, in der die Energie eingegeben wird und in der Spule in einem Zyklus akkumuliert wird, um so eine Eingabespannung zu erhöhen; undeinen Kontroller (50), welcher derart konfiguriert ist, dass er die relative Einschaltdauer in Abhängigkeit des Stromsollwerts einstellt, um so die Wandlervorrichtung (11) zu veranlassen, einen Boostbetrieb der Eingabespannung wiederholt durchzuführen, wobei der Kontroller (50) derart konfiguriert ist, dass er die relative Einschaltdauer unter Verwendung eines Basisterms, der einen Störgrößenterm (FFc) enthält, und eines Zusatzterm (α/T) einstellt, wobei der Störgrößenterm (FFc) unter Verwendung von jeweiligen Sollwerten eines Betrags einer Eingabe der Spule (61) und eines Betrags einer Ausgabe der Spule (61) abgeleitet wird, wobei die jeweiligen Sollwerte in Abhängigkeit des Stromsollwerts eingestellt werden, der Zusatzterm (α/T) unter Verwendung einer Variation des Stromsollwerts während einem Zyklus abgeleitet wird, und hinzugefügt wird, um die relative Einschaltdauer in Abhängigkeit der Variation zu ändern, wobeider Kontroller (50) derart konfiguriert ist, dass er die relative Einschaltdauer unter Verwendung des Basisterms, in dem ein Rückkopplungsterm (FBc) zu dem Störgrößenterm (FFc) hinzugefügt wird, und des Zusatzterms (α/T) einstellt, wobei der Rückkopplungsterm (FBc) unter Verwendung des Messwerts des Betrags der Ausgabe der Spule (61) und eines Sollwerts des Betrags der Ausgabe der Spule (61) abgeleitet wird, wobei der Sollwert in Abhängigkeit des Stromsollwerts eingestellt wird, undwobei der Kontroller (50) derart konfiguriert ist, dass:wenn die Variation (ΔI) ein vordefinierter Grenzwert oder mehr ist, der Kontroller (50) die relative Einschaltdauer unter Verwendung des Basisterms und des Zusatzterms (α/T) einstellt, undwenn die Variation weniger als der vordefinierte Grenzwert ist, der Kontroller (50) die relative Einschaltdauer ohne Verwendung des Zusatzterms (α/T) einstellt.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Spannungssteuersystem, ein Brennstoffzellensystem und ein Steuerverfahren für ein Spannungssteuersystem.
  • 2. Beschreibung des Stands der Technik
  • Ein Brennstoffzellensystem veranlasst eine Brennstoffzelle elektrische Leistung zu erzeugen, so dass eine elektrische Sollleistung, die einer Anfrage bzw. einem Bedarf einer externen Last entspricht, wie etwa einem Motor, Zusatzteilen in dem System und ähnlichen, ausgegeben wird. Um eine Ausgabeleistung der Brennstoffzelle effizient zu der externen Last, den Zusatzteilen, und ähnlichen auszugeben, ist ein Spannungssteuersystem, welches die Ausgabespannung der Brennstoffzelle erhöht, indem ein Wandler verwendet wird, in dem Brennstoffzellensystem enthalten. JP 2015 -19 448 A beschreibt ein derartiges Spannungssteuersystem mit einer Wandlervorrichtung, die eine Spule und einen Kontroller aufweist. Der Kontroller stellt die Einschaltdauer in Abhängigkeit des Stromsollwerts ein, sodass die Wandlervorrichtung veranlasst wird, einen Boostbetrieb der Eingabespannung wiederholt durchzuführen. Der Wandler besteht beispielsweise aus einer Spule bzw. einem Reaktor, die ein Induktivitätselement ist, und einem Schaltelement, das einen Stromfluss zu der Spule steuert. Der Boostbetrieb des Wandlers wird durch eine relative Einschaltdauer gesteuert, die indikativ für ein Verhältnis einer Öffnungs-/Schließdauer des Schaltelements in einem Zyklus ist. Im Allgemeinen ist die relative Einschaltdauer des Wandlers auf Basis eines Messwerts einer Eingabespannung des Wandlers und eines Messwerts einer Ausgabespannung derselben Feedback-gesteuert bzw. rückkopplungsgesteuert.
  • KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist wünschenswert, dass das Brennstoffzellensystem eine noch höhere Antwort - bzw. Reaktionsfähigkeit und Folgbarkeit bzw. Nachvollziehbarkeit auf einen Bedarf der elektrischen Sollleistung aufweist. Selbst wenn sich die elektrische Sollleistung in einer kurzen Zeit erheblich ändert, ist es dementsprechend wünschenswert, dass eine Verzögerung der Feedbacksteuerung bzw. Rückkopplungssteuerung in dem Wandler und ein Auftreten eines Übersteuerns beschränkt werden. Eine Aufgabe die Steuerbarkeit eines solchen Wandler zu erhöhen ist nicht auf das Brennstoffzellensystem oder ein Spannungssteuersystem, das in dem Brennstoffzellensystem enthalten ist, beschränkt, sondern ist auch eine Aufgabe, die einem allgemeinen Spannungssteuersystem, welches einen Wandler verwendet, gemein ist.
  • Die vorliegende Erfindung schafft ein Spannungssteuersystem, ein Brennstoffzellensystem und ein Steuerverfahren für ein Spannungssteuersystem.
  • Ein Spannungssteuersystem nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung steuert eine Ausgabespannung in Abhängigkeit eines Stromsollwerts. Das Spannungssteuersystem enthält eine Wandlervorrichtung und einen Kontroller. Die Wandlervorrichtung enthält eine Spule bzw. einen Reaktor, die eine elektrische Energie akkumuliert, und die Wandlervorrichtung ist derart konfiguriert, dass sie bei einer/m relativen Einschaltdauer bzw. Einschaltverhältnis arbeitet, das als ein Verhältnis einer Akkumulationsdauer ermittelt wird, in der die Energie eingegeben wird und in der Spule in einem Zyklus akkumuliert wird, um so eine Eingabespannung zu erhöhen. Der Kontroller ist derart konfiguriert, dass er die relative Einschaltdauer in Abhängigkeit des Stromsollwerts einstellt, um so die Wandlervorrichtung zu veranlassen, einen Boostbetrieb der Eingabespannung wiederholt durchzuführen. Der Kontroller ist derart konfiguriert, dass er die relative Einschaltdauer einstellt, indem er einen Basisterm enthält, der einen Störgrößenterm, und einen Zusatzterm verwendet, wobei der Störgrößenterm unter Verwendung von jeweiligen Sollwerten eines Betrags einer Eingabe der Spule bzw. des Reaktors und eines Betrags einer Ausgabe der Spule bzw. des Reaktors abgeleitet wird, wobei die jeweiligen Sollwerte in Abhängigkeit des Stromsollwerts eingestellt werden, der Zusatzterm unter Verwendung einer Variation des Stromsollwerts während dem einen Zyklus abgeleitet wird, und hinzugefügt wird, um die relative Einschaltdauer in Abhängigkeit der Variation zu ändern.
  • Gemäß dem Spannungssteuersystem des ersten Aspekts wird der Zusatzterm unter Verwendung eines bekannten Werts erfasst, der eine Variation des Stromsollwerts ist, der einer Differenz zwischen einem vorherigen Wert und einem Ist-Wert des Stromsollwerts entspricht. Selbst wenn der Stromsollwert während einem Zyklus erheblich geändert wird, indem die relative Einschaltdauer durch den Zusatzterm verändert wird, wird ein Auftreten einer Antwortverzögerung der Wandlervorrichtung mit Bezug auf die Änderung des Stromsollwerts beschränkt. In dem Spannungssteuersystem diesen Aspekts werden daher nicht nur der Basisterm, der unter Verwendung der Sollwerte über die Eingabe und Ausgabe der Spule abgeleitet werden, sondern auch der Zusatzterm verwendet, in welchem die Variation des Stromsollwerts berücksichtigt wird, so dass die Steuerbarkeit der Wandlervorrichtung erhöht wird.
  • Das Spannungssteuersystem gemäß dem ersten Aspekt enthält zudem einen Ausgabemessabschnitt, welcher derart konfiguriert ist, dass er den Betrag der Ausgabe von der Spule misst. Der Kontroller kann derart konfiguriert sein, dass er die relative Einschaltdauer unter Verwendung des Basisterm, zu welchem ein Feedback-Term bzw. Rückkopplungsterm zu dem Feedforward-Term bzw. Störgrößenterm hinzugefügt wird, und des Zusatzterms einstellt, wobei der Rückkopplungsterm unter Verwendung eines Messwerts des Betrags der Ausgabe der Spule und des Sollwerts des Betrags der Ausgabe der Spule abgeleitet wird.
  • Gemäß des obigen Aspekts ist es aufgrund des Rückkopplungsterms möglich, bei der relativen Einschaltdauer eine Differenz zwischen dem Sollwert des Betrags der Ausgabe der Spule und eines Betrags einer Ist-Ausgabe desselben zu berücksichtigen.
  • Ein Spannungssteuersystem gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung steuert eine Ausgabespannung in Abhängigkeit eines Stromsollwerts. Das Spannungssteuersystem enthält eine Wandlervorrichtung, einen Eingabemessabschnitt, einen Ausgabemessabschnitt und einen Kontroller. Die Wandlervorrichtung enthält eine Spule bzw. einen Reaktor, die ein elektrische Energie akkumuliert und die Wandlervorrichtung ist derart konfiguriert, dass sie bei einer relativen Einschaltdauer arbeitet, welche als ein Verhältnis einer akkumulierten Dauer ermittelt wird, in der die Energie eingegeben wird und in der Spule in einem Zyklus akkumuliert wird, um so eine Eingabespannung zu erhöhen. Der Eingabemessabschnitt ist derart konfiguriert, dass er einen Betrag einer Eingabe bezüglich der Spule misst. Der Ausgabemessabschnitt ist derart konfiguriert, dass er einen Betrag einer Ausgabe von der Spule misst. Der Kontroller ist derart konfiguriert, dass er die relative Einschaltdauer in Abhängigkeit des Stromsollwerts einstellt, um so die Wandlervorrichtung zu veranlassen, wiederholt einen Boostbetrieb der Eingabespannung durchzuführen. Der Kontroller ist derart konfiguriert, dass der die relative Einschaltdauer unter Verwendung eines Basisterms einstellt, der einen Störgrößenterm und einen Zusatzterm enthält, wobei der Störgrößenterm unter Verwendung eines Messwerts eines Betrags einer Eingabe der Spule und eines Messwerts eines Betrags einer Ausgabe der Spule abgeleitet wird, wobei der Zusatzterm unter Verwendung einer Variation des Stromsollwerts während dem einem Zyklus abgeleitet wird und hinzugefügt wird, um die relative Einschaltdauer in Abhängigkeit der Variation zu ändern.
  • Gemäß des Spannungssteuersystems des zweiten Aspekts wird selbst, wenn der Stromsollwert erheblich während dem einen Zyklus durch ein Ändern der relativen Einschaltdauer durch den Zusatzterm geändert wird, ein Auftreten einer Antwortverzögerung der Wandlervorrichtung bezüglich der Änderung des Stromsollwerts beschränkt. In dem Spannungssteuersystem dieses Aspekts wird nicht nur der Basisterm, der durch die Verwendung der Messwerte über die Eingabe und Ausgabe der Spule abgeleitet wird, sondern auch der Zusatzterm, bei dem die Variation des Stromsollwerts reflektiert wird, verwendet, so dass die Steuerbarkeit der Wandlervorrichtung erhöht wird.
  • In dem Spannungssteuersystem des zweiten Aspekts kann der Kontroller derart konfiguriert sein, dass er die relative Einschaltdauer unter Verwendung des Basisterms, in dem ein Rückkopplungsterm zu dem Störgrößenterm hinzugefügt wird, und des Zusatzterms einstellt, wobei der Rückkopplungsterm unter Verwendung des Messwerts des Betrags der Ausgabe der Spule und eines Sollwerts des Betrags der Ausgabe der Spule abgeleitet wird, wobei der Sollwert in Abhängigkeit des Stromsollwerts eingestellt wird.
  • Gemäß des zweiten Aspekts ist es aufgrund des Rückkopplungsterms möglich, bei der relativen Einschaltdauer die Differenz zwischen dem Sollwert des Betrags der Ausgabe der Spule und einen Betrag einer Ist-Ausgabe desselben zu berücksichtigen.
  • In dem Spannungssteuersystem gemäß dem obigen Aspekt kann der Kontroller den Zusatzterm derart einstellen, dass eine Gesamtsumme einer Variation der elektrischen Energie, die in der Spule während dem einen Zyklus akkumuliert ist, und eine Variation der elektrischen Energie, die von der Spule ausgelassen wird, der Variation des Stromsollwerts während dem einen Zyklus entspricht.
  • Gemäß dem Spannungssteuersystem des obigen Aspekts wird der Zusatzterm als ein noch passenderer Wert eingestellt, so dass die Steuerbarkeit der Wandlervorrichtung noch weiter erhöht wird.
  • In dem obigen Aspekt kann der Kontroller derart konfiguriert sein, dass er als den Zusatzterm einen Wert von α/T verwendet, der aus α/T = (L × ΔI)/VHt erhalten wird, wobei ΔI die Variation des Stromsollwerts anzeigt, L eine Induktivität der Spule anzeigt, T eine Dauer des einen Zyklus anzeigt und VHt einen Sollwert einer Ausgabespannung der Spule anzeigt, wobei der Sollwert der Sollwert des Betrag der Ausgabe der Spule ist.
  • Gemäß des obigen Aspekts ist es möglich, einen noch geeigneteren Zusatzterm zu erhalten, welcher der Variation in Abhängigkeit des Stromsollwerts entspricht.
  • Das Spannungssteuersystem gemäß des obigen Aspekts kann zudem einen Ausgabemessabschnitt enthalten, welcher derart konfiguriert ist, dass er eine Ausgabespannung der Spule misst, und der Kontroller kann derart konfiguriert sein, dass er als den Zusatzterm einen Wert aus α/T verwendet, der aus α/T = (L × ΔI)/VH erhalten wird, wobei ΔI die Variation des Stromsollwerts anzeigt, L eine Induktivität der Spule anzeigt, T eine Dauer des einen Zyklus anzeigt und VH einen Messwert der Ausgabespannung der Spule anzeigt.
  • Gemäß dieses Aspekts ist es möglich, einen noch geeigneteren Zusatzterm zu erhalten.
  • In dem Spannungssteuersystem des obigen Aspekts kann der Ausgabemessabschnitt derart konfiguriert sein, dass er die Ausgabespannung der Spule als den Betrag der Ausgabe der Spule misst und der Kontroller kann derart konfiguriert sein, dass er als den Zusatzterm einen Wert aus α/T verwendet, der aus α/T = (L × ΔI)/VH erhalten wird, wobei ΔI die Variation des Stromsollwerts anzeigt, L eine Induktivität der Spule anzeigt, T eine Dauer des einen Zyklus anzeigt und VH einen Messwert der Ausgabespannung der Spule anzeigt.
  • Gemäß des Aspekts ist es möglich einen noch geeigneteren Zusatzterm zu erhalten.
  • In dem Spannungssteuersystem des obigen Aspekts kann der Kontroller derart konfiguriert sein, dass: wenn die Variation ein vordefinierter Grenzwert oder mehr ist, der Kontroller die relative Einschaltdauer des Basisterms und des Zusatzterm einstellt und wenn die Variation geringer ist als der vordefinierte Grenzwert, stellt der Kontroller die relative Einschaltdauer ohne Verwendung des Zusatzterms ein.
  • Gemäß des obigen Aspekts wird eine Übergangsdauer, in welcher sich der Stromwollwert plötzlich ändert, von der anderen normalen Steuerdauer unterschieden und nur in einem Fall der Übergangsdauer wird der Zusatzterm zum Einstellen der relativen Einschaltdauer verwendet. Dies macht es dementsprechend möglich, die relative Einschaltdauer daran zu hindern, größer als nötig zu werden, indem der Zusatzterm während der normalen Steuerdauer verwendet wird. Dementsprechend wird die Steuerbarkeit der Wandlervorrichtung noch weiter erhöht.
  • Ein Brennstoffzellensystem gemäß eines dritten Aspekts der vorliegenden Erfindung enthält eine Brennstoffzelle und das Spannungssteuersystem aus irgendeinem der obigen Aspekte und das Spannungssteuersystem ist derart konfiguriert, dass es eine Spannungsausgabe von der Brennstoffzelle als die Eingabespannung erhöht.
  • Gemäß des Brennstoffzellensystems des dritten Aspekts kann die Ausgabespannung der Brennstoffzelle noch genauer in Abhängigkeit des Sollwerts erhöht werden.
  • Ein Steuerverfahren für ein Spannungssteuersystem gemäß eines vierten Aspekts der vorliegenden Erfindung ist ein Steuerverfahre für ein Spannungssteuersystem, das eine Wandlervorrichtung enthält, die eine Spule enthält, die eine elektrische Energie akkumuliert, wobei die Wandlervorrichtung derart konfiguriert ist, dass sie bei einer relativen Einschaltdauer arbeitet, die als ein Verhältnis einer akkumulierten Dauer ermittelt ist, in der die Energie eingegeben und in der Spule in einem Zyklus akkumuliert wird, um so eine Eingabespannung zu erhöhen, wobei das Spannungssteuersystem derart konfiguriert ist, dass es eine Ausgabespannung ausgibt, die erhalten wird, indem die Eingabespannung in Abhängigkeit eines Stromsollwerts erhöht wird. Das Steuerverfahren enthält ein Einstellen der relativen Einschaltdauer in Abhängigkeit des Stromsollwerts, um die Wandlervorrichtung zu veranlassen, wiederholt einen Boostbetrieb durchzuführen, wobei die relative Einschaltdauer unter Verwendung eines Basisterms, der einen Störgrößenterm enthält, und eines Zusatzterms eingestellt wird, wobei der Störgrößenterm unter Verwendung der jeweiligen Sollwerte eines Betrags einer Eingabe der Spule und eines Betrags einer Ausgabe der Spule abgeleitet wird, wobei die jeweiligen Sollwerte in Abhängigkeit des Stromsollwerts eingestellt werden, wobei der Zusatzterm unter Verwendung einer Variation des Stromsollwerts während dem einen Zyklus abgeleitet wird und hinzugefügt wird, um die relative Einschaltdauer in Abhängigkeit der Variation zu ändern.
  • Gemäß dem Steuerverfahren des obigen Aspekts wird der Zusatzterm, durch welchen die Variation des Stromsollwerts berücksichtigt wird, zum Einstellen der relativen Einschaltdauer verwendet, so dass ein Auftreten einer Antwortverzögerung der Wandlervorrichtung bezüglich der Änderung des Stromsollwerts beschränkt wird. Demzufolge wird die Steuerbarkeit der Wandlervorrichtung erhöht.
  • Ein Steuerverfahren für ein Spannungssteuersystems gemäß einem fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Steuerverfahren für ein Spannungssteuersystem, das eine Wandlervorrichtung enthält, die eine Spule enthält, die eine elektrische Energie akkumuliert, wobei die Wandlervorrichtung derart konfiguriert ist, um bei einer relativen Einschaltdauer zu arbeiten, das als ein Verhältnis einer akkumulierten Dauer ermittelt wird, in der die Energie eingegeben wird und in der Spule in einem Zyklus akkumuliert wird, um so eine Eingabespannung zu erhöhen, wobei das Spannungssteuersystem derart konfiguriert ist, um eine Ausgabespannung auszugeben, die erhalten wird, indem die Eingabespannung in Abhängigkeit eines Stromsollwerts erhöht wird. Das Steuerverfahren enthält ein Einstellen der relativen Einschaltdauer in Abhängigkeit des Stromsollwerts, um so die Wandlervorrichtung zu veranlassen, wiederholt einen Boostbetrieb durchzuführen, so dass ein Betrag einer Eingabe und ein Betrag einer Ausgabe in der Spule gemessen werden, so dass die relative Einschaltdauer unter Verwendung eines Basisterms eingestellt wird, der einen Störgrößenterm enthält und eines Zusatzterms, wobei der Störgrößenterm unter Verwendung eines Messwerts des Betrags der Eingabe der Spule und eines Messwert des Betrags der Ausgabe der Spule abgeleitet wird, wobei der Zusatzterm unter Verwendung einer Variation des Stromsollwerts während dem einen Zyklus abgeleitet wird und hinzugefügt wird, um die relative Einschaltdauer in Abhängigkeit der Variation zu ändern.
  • Gemäß dem Steuerverfahren des fünften Aspekts wird der Zusatzterm, bei dem die Variation des Stromsollwerts berücksichtigt wird, zum Einstellen der relativen Einschaltdauer verwendet, so dass ein Auftreten einer Antwortverzögerung der Wandlervorrichtung im Hinblick auf die Änderung des Stromsollwerts beschränkt wird.
  • Nicht die Gesamtheit der Bestandteile, die in jedem Aspekt der vorliegenden Erfindung enthalten ist, ist notwendig, und um einen Teil oder alle der obigen Aufgaben oder um einen Teil oder alle der hierin beschriebenen Effekte zu erreichen, können einige aus der Mehrzahl von Bestandteilen modifiziert, gelöscht oder mit anderen neuen Bestandteilen in geeigneter Weise ersetzt werden und ein beschränkender Inhalt kann teilweise gelöscht bzw. weggelassen werden. Um einen Teil oder alle der obigen Aufgaben zu lösen oder um einen Teil oder alle der hierin beschriebenen Effekte zu erreichen, kann ein Teil oder alle der in einem Aspekt der vorliegenden Erfindung enthaltenen technischen Merkmale mit einem Teil oder allen der technischen Merkmale, die in einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung enthalten sind, kombiniert werden, um einen unabhängigen Aspekt der vorliegenden Erfindung zu bilden. Zudem kann der in jedem Aspekt beschriebene Kontroller als eine einzelne, unabhängige Einheit ausgeführt sein, um so eine in jedem Aspekt beschriebene Funktion darzustellen, oder kann integral in einer Einheit enthalten sein, die weitere verschiedene Steuerfunktionen ausführt, als ein Teil der Einheit. Zudem können einzelne Funktionen des in jedem Aspekt beschriebenen Kontrollers nur durch eine einzelne Einheit implementiert sein, welche den Kontroller bildet, oder kann individuell durch eine Mehrzahl von Einheiten implementiert werden, die separat/unabhängig ausgebildet sind, um so den Kontroller in Kooperation miteinander zu bilden. Eine Funktion beispielsweise, um die relative Einschaltdauer der Wandlervorrichtung einzustellen und eine Funktion, um die Wandlervorrichtung zu veranlassen, einen Boostbetrieb wiederholt durchzuführen, kann durch separate Einheiten implementiert werden, welchen den Kontroller bilden. Ähnlich kann eine Funktion, um die relative Einschaltdauer der Wandlervorrichtung einzustellen und eine Funktion, um den Sollwert des Betrags der Eingabe und den Sollwert des Betrags der Ausgabe in der Spule durch separate Einheiten implementiert werden, welche den Kontroller bilden. Die Einheiten enthalten einen Steuerkreislauf bzw. Stromkreislauf, einen Computer und ähnliches.
  • Die vorliegende Erfindung ist in verschiedenen anderen Aspekten als dem Spannungssteuersystem, dem Steuerverfahren desselben und dem Brennstoffzellensystem erreichbar. Beispielsweise ist die vorliegende Erfindung in Aspekten erreichbar, wie einem Fahrzeug, das mit einem Spannungssteuersystem und dem Brennstoffzellensystem ausgebildet ist, einem Steuerverfahren für die Wandlervorrichtung, einem Spannungsboostverfahren, einem Steuerverfahren für das Brennstoffzellensystem und einem Aufnahmemedium, das kein temporäres Medium ist und das ein Computerprogramm speichert, um verschiedene oben beschriebene Verfahren zu implementieren.
  • Figurenliste
  • Die Merkmale, Vorteile und technische sowie wirtschaftliche Bedeutung der beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente kennzeichnen, und wobei:
    • 1 eine schematische Ansicht ist, die eine elektrische Konfiguration eines Brennstoffzellensystems darstellt;
    • 2 eine schematische Ansicht ist, die eine Konfiguration eines Brennstoffzellenwandlers darstellt;
    • 3 eine erklärende Ansicht ist, um eine relative Einschaltdauer des Brennstoffzellenwandlers zu beschreiben;
    • 4 eine erklärende Ansicht ist, die einen Ablauf eines Steuerprozesses des Brennstoffzellenwandlers darstellt;
    • 5 eine erklärende Ansicht ist, um ein Berechnungsverfahren für einen Zusatzterm zu beschreiben; und
    • 6 eine erklärende Ansicht ist, um ein Beispiel einer Steuerung des Brennstoffzellenwandlers darzustellen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Ausführungsform: 1 ist eine schematische Ansicht, die eine elektrische Konfiguration eines Brennstoffzellensystems 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Das Brennstoffzellensystem 100 ist in einem Brennstoffzellenfahrzeug ausgebildet. Das Brennstoffzellensystem 100 erzeugt eine Antriebskraft des Brennstoffzellenfahrzeugs bei einem Antriebsmotor 20 unter Verwendung einer elektrischen Leistung, die durch eine Brennstoffzelle 10 in Reaktion auf eine Fahreranforderung erzeugt wird, die über ein Gaspedal AP empfangen wird. Zusätzlich zu der Brennstoffzelle 10 und dem Antriebsmotor 20 enthält das Brennstoffzellensystem 100 einen Brennstoffzellenwandler 11, eine zweite Batterie 15, einen zweiten Batteriewandler 16, einen Wechselrichter 21, einen ersten Spannungsmessabschnitt 31, einen zweiten Spannungsmessabschnitt 32 und einen Kontroller 50. Wie nachfolgend beschrieben, fungieren in dem Brennstoffzellensystem 100 der Brennstoffzellenwandler 11, der erste Spannungsmessabschnitt 31, der zweite Spannungsmessabschnitt 32 und der Kontroller 50 als ein Spannungssteuersystem, das eine Spannungsausgabe von der Brennstoffzelle 10 auf eine Sollspannung erhöht, die durch den Kontroller 50 eingestellt wird.
  • Die Brennstoffzelle 10 ist eine Festpolymerbrennstoffzelle, die derart konfiguriert ist, um eine elektrische Leistung nach Erhalt von Wassersott und Sauerstoff als Reaktionsgase zu erzeugen. Die Brennstoffzelle 10 ist nicht auf die Festpolymerbrennstoffzelle beschränkt und verschiedene Arten von Brennstoffzellen können als die Brennstoffzelle 10 verwendet werden. Beispielsweise kann als die Brennstoffzelle 10 eine Polymerelektrodenbrennstoffzelle anstelle der Festpolymerbrennstoffzelle verwendet werden. Die Brennstoffzelle 10 ist mit einem Eingabeanschluss des Brennstoffzellenwandlers 11 über ein erstes Stromleitkabel L1 verbunden.
  • Der Brennstoffzellenwandler 11 ist eine Aufwärtswandlervorrichtung und der Brennstoffzellenwandler 11 führt unter der Steuerung des Kontrollers 50 einen Boostbetrieb des Erhöhens einer Eingabespannung, die von der Brennstoffzelle 10 eingegeben wird, auf eine Sollspannung durch. Ein Ausgabeanschluss des Brennstoffzellenwandlers 11 ist mit einem Gleichstromanschluss des Wechselrichters 21 über ein zweites Gleichstromleitkabel L2 verbunden. Eine Relaisschaltung kann zwischen dem Brennstoffzellenwandler 11 und dem Wechselrichter 21 ausgebildet sein. Der Brennstoffzellenwandler 11 überträgt einen Messwert IL eines Spulenstroms (später beschrieben) zu dem Kontroller 50 über ein Signalkabel. Der Brennstoffzellenwandler 11 kann durch Verwenden eines intelligenten Leistungsmoduls (IPM) gebildet sein. Details einer Konfiguration und ein Betriebs des Brennstoffzellenwandlers 11 werden später beschrieben werden.
  • Die Sekundärbatterie 15 wird beispielsweise durch eine Lithiumionenbatterie gebildet und fungiert als eine Leistungsquelle des Brennstoffzellensystems 100 zusammen mit der Brennstoffzelle 10. Die Sekundärbatterie 15 ist mit einem Eingabeanschluss des Sekundärbatteriewandlers 16 über ein drittes Gleichstromleitkabel L3 verbunden.
  • Der Sekundärbatteriewandler 16 ist eine Aufwärtswandlervorrichtung und weist eine Konfiguration ähnliche dem Brennstoffzellenwandler 11 auf. Ein Ausgabeanschluss des Sekundärbatteriewandlers 16 ist mit dem zweiten Gleichstromleitkabel L2 verbunden, das den Brennstoffzellenwandler 11 mit dem Wechselrichter 21 über ein viertes Gleichstromleitkabel L4 verbindet. Unter der Steuerung des Kontrollers 50 steuert der zweite Batteriewandler 16 im Zusammenspiel mit dem Brennstoffzellenwandler 11 ein Laden/Entladen der Sekundärbatterie 15, indem eine Spannung in dem zweiten Gleichstromleitkabel L2 angepasst wird, welche eine Eingabespannung des Wechselrichters 21 ist. Wenn eine Ausgabeleistung von dem Brennstoffzellenwandler 11 für eine Sollausgabeleistung unzureichend ist, veranlasst der zweite Batteriewandler 16 die Sekundärbatterie 15 ein Entladen durchzuführen. Wenn eine Regenerativleistung in dem Antriebsmotor 20 erzeugt wird, veranlasst der zweite Batteriewandler 16 in der Zwischenzeit, dass die Sekundärbatterie 15 die Regenerativleistung hierin akkumuliert. Es sei angemerkt, dass der Sekundärbatteriewandler 16 eine Konfiguration aufweisen kann, die von dem Brennstoffzellenwandler 11 verschieden ist.
  • Wie oben beschrieben ist der Antriebsmotor 20 eine Leistungsquelle, welche Räder des Brennstoffzellenfahrzeugs antreibt und wird beispielsweise durch einen Dreiphasenwechselstrommotor gebildet. Der Antriebsmotor 20 ist mit einem Wechselstromanschluss des Wechselrichters 21 über ein Wechselstromleitkabel verbunden.
  • Der Wechselrichter 21 ist ein DC/AC-Wechselrichter und in Reaktion auf einen Befehl von dem Kontroller 50 wandelt der Wechselrichter 21 eine elektrische Leistung, die mit einem Gleichstrom von der Brennstoffzelle 10 und der zweiten Batterie 15 über das zweite Gleichstromleitkabel L2 zugeführt wird in eine elektrische Leistung eines Dreiphasenwechselstroms, und führt dies dem Antriebsmotor 20 zu. Der Wechselrichter 21 wandelt eine Regenerativleistung, die in dem Antriebsmotor 20 erzeugt wird, in eine Gleichstromleistung um und gibt sie zu dem zweiten Gleichstromleitkabel L2 aus. Der Wechselrichter 21 kann aus einem IPM gebildet sein. Das Brennstoffzellensystem 100 kann eine Mehrzahl von Wechselrichtern 21 enthalten und weitere Zusatzteile (nicht dargestellt) als der Antriebsmotor 20 können elektrisch mit dem zweiten Gleichstromleitkabel L2 über jeweilige Wechselrichter 21 verbunden sein.
  • Der erste Spannungsmessabschnitt 31 ist mit dem ersten Gleichstromleitkabel L1 verbunden misst eine Eingabespannung des Brennstoffzellenwandlers 11, um ein Signal, das seinen Messwert VL anzeigt, zu dem Kontroller 50 auszugeben. Der zweite Spannungsmessabschnitt 32 ist mit dem zweiten Gleichstromleitkabel L2 verbunden und misst eine Ausgabespannung des Brennstoffzellenwandlers 11, um ein Signal, das seinen Messwert VH anzeigt, zu dem Kontroller 50 auszugeben. Die ersten und zweiten Spannungsmessabschnitte 31, 32 können jeweils beispielsweise durch einen Spannungssensor gebildet sein. Es sei angemerkt, dass die Eingabespannung und die Ausgabespannung des Brennstoffzellenwandlers 11 jeweils einer Eingabespannung und einer Ausgabespannung einer Spule (später beschrieben) des Brennstoffzellenwandlers 11 entsprechen. Der erste Spannungsmessabschnitt 31 misst die Eingabespannung als einen Betrag einer Eingabe zu der Spule und kann als untergeordnetes Konzept des Eingabemessabschnitts in der vorliegenden Erfindung verstanden werden. Der zweite Spannungsmessabschnitt 32 misst die Ausgabespannung als einen Betrag einer Ausgabe von der Spule und kann als ein untergeordnetes Konzept eines Ausgabemessabschnitts in der vorliegenden Erfindung verstanden werden. Es sei angemerkt, dass in der vorliegenden Spezifikation „der Betrag der Eingabe“ und „der Betrag der Ausgabe“ des Brennstoffzellenwandlers 11 und der Spule einem Betrag einer elektrischen Energie entsprechen, die in der Spule akkumuliert wird und derart verstanden werden kann, einen Betrag von irgendeinem eines Stroms, einer Spannung und einer elektrischen Leistung anzuzeigen.
  • Der Kontroller 50 wird durch einen Mikrocomputer gebildet, der eine zentrale Recheneinheit, einen Hauptspeicher und einen nichtflüchtigen Speicherabschnitt enthält und mit dem Brennstoffzellenwandler 11, dem zweiten Batteriewandler 16 und dem Wechselrichter 21 über Signalkabel verbunden ist. Der Kontroller 50 steuert den Brennstoffzellenwandler 11, den zweiten Batteriewandler 16 und den Wechselrichter 21, um so die Ausgabeleistungen der Brennstoffzelle 10 und der Sekundärbatterie 15 zu steuern, wodurch der Antriebsmotor 20 veranlasst wird, eine Antriebskraft zu erzeugen, die einer Ausgabeanfrage von einem Fahrer entspricht. Der Kontroller 50 erzeugt zudem ein Steuersignal S (später beschrieben), das einer Ausgabeanfrage entspricht, die extern empfangen wird, um so einen Betrieb des Brennstoffzellenwandlers 11 zu steuern. Der Kontroller 50 verwendet für die Steuerung des Brennstoffzellenwandlers 11, den Messwert IL eines Spulenstroms, der von dem Brennstoffzellenwandler 11 empfangen wird und die Messwerte VL, VH der Eingabespannung und der Ausgabespannung des Brennstoffzellenwandlers 11, die von der ersten und zweiten Spannungsmessabschnitten 31, 32 empfangen werden. Details eines Steuerprozesses des Brennstoffzellenwandlers 11 durch den Kontroller 50 werden später beschrieben. Es sei angemerkt, dass der Kontroller 50 eine Signaleinheit sein kann, die für den Zweck eines Steuerns des Brennstoffzellensystems 100 gebildet ist oder als ein Teil einer Steuereinheit ausgebildet sein kann, die verschiedenen Steuerfunktionen aufweist, wie etwa eine Steuereinheit, welche beispielsweise das gesamte Brennstoffzellenfahrzeug steuert. Zudem kann der Kontroller 50 durch eine Mehrzahl an Stromkreisen, Einheiten, Modulen und ähnlichem gebildet sein, welche individuell verschiedene später beschriebene Funktionen implementieren.
  • 2 ist eine schematische Ansicht, welche eine Konfiguration des Brennstoffzellenwandlers 11 darstellt. In 2 ist das vierte Gleichstromleitkabel L4, das mit dem zweiten Gleichstromleitkabel L2 verbunden ist, zur Zweckmäßigkeit nicht dargestellt. Der Brennstoffzellenwandler 11 ist als ein Vierphasenbrückenwandler gebildet und enthält einen U-Phasenstromkreislaufabschnitt 11U, einen V-Phasenstromkreislaufabschnitt 11V, einen W-Phasenstromkreislaufabschnitt 11W, und einen X-Phasenstromkreislaufabschnitt 11X. Die Phasenstromkreislaufabschnitte 11U, 11V, 11W, 11X sind mit ersten und zweiten Stromleitungen L5a, L5b und einer Masseleitung L6 verbunden.
  • Die erste Stromleitung L5a ist eine eingabeseitige Stromleitung, die mit der Brennstoffzelle 10 verbunden ist, und die zweite Stromleitung L5b ist eine ausgabeseitige Stromleitung, die mit dem Wechselrichter 21 verbunden ist. Die Masseleitung L6 ist eine gemeinsame Masseleitung zu der Brennstoffzelle 10 und dem Wechselrichter 21. Ein Glättungskondensator 66 ist in einer nachfolgenden Stufe des X-Phasenstromkreislaufabschnitts 11X ausgebildet. Der Glättungskondensator 66 ist mit der zweiten Stromleitung L5b und der Masseleitung L6 verbunden und reduziert eine Spannungsschwankung zwischen der zweiten Stromleitung L5b und der Masseleitung L6.
  • Der Phasenstromkreislaufabschnitt 11U, 11V, 11W, 11X enthält eine Spule 61, eine Ausgabediode 62 und ein Schaltelement 63. Ein Eingabeanschluss der Spule 61 des Phasenstromkreislaufabschnitts 11U, 11V, 11W, 11X ist mit der erste Stromleitung L5a verbunden.
  • Ein Ausgabeanschluss der Spule 61 des Phasenstromkreislaufabschnitts 11U, 11V, 11W, 11X ist mit der zweiten Stromleitung L5b über die Diode 62 verbunden. Die Diode 62 ist derart ausgebildet, dass eine Richtung, die in Richtung der zweiten Stromleitung L5b von der Spule 61 zeigt, als eine Vorwärtsrichtung angenommen wird. Ein Strommessabschnitt 67U, 67V, 67W, 67X ist zwischen der Diode 62 und der zweiten Stromleitung L5b ausgebildet. Der Strommessabschnitt 67U, 67V, 67W, 67X wird beispielsweise durch einen Stromsensor gebildet. Der Strommessabschnitt 67U, 67V, 67W, 67X misst einen Spulenstrom, der ein Strom ist, der von der Spule 61 des Phasenstromkreislaufabschnitts 11U, 11V, 1 1W, 11X fließt und überträgt einen Messwert ILU, ILV, ILW, ILX, die hierin erhalten ist, zu dem Kontroller 50. In der vorliegenden Spezifikation werden die Messwerte ILU, ILV, ILW, ILX der Spulenströme der jeweiligen Phasen allgemein als ein „Messwert IL des Spulenstroms“ bezeichnet oder nur als „Spulenstrom IL“. Als solche misst der Strommessabschnitt 67U, 67V, 67W, 67X einen Spulenstrom IL, der ein Betrag einer Ausgabe einer entsprechenden Spule 61 ist und kann als ein untergeordnetes Konzept eines Ausgabemessabschnitts der vorliegenden Erfindung verstanden werden.
  • Ein Eingabeanschluss der Spule 61 des Phasenstromkreislaufabschnitts 11U, 11V, 11W, 11X ist zudem mit der Masseleitung L6 über das Schaltelement 63 verbunden. Das Schaltelement 63 besteht aus einem Transistor 64, und eine Schutzdiode 65. Der Transistor 64 ist ein Transistor vom npn-Typ und besteht aus einem Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT), einem elektrischen Metalloxidhalbleiter-(MOS)-Transistor, einem elektrischen Bipolartransistor und ähnlichem. Der Transistor 64 ist derart verbunden, dass eine Spulen-61-Seite ein Kollektor und eine Masseleitungs-L6-Seite ein Emitter ist. Die Schutzdiode 65 ist zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Transistors 64 in einer entgegengesetzten Richtung zu einer Richtung ausgebildet, in welcher ein Kollektorstrom fließt.
  • Ein entsprechendes Steuersignal SU, SV, SW, SX jeweils zum Einstellen einer relativen Einschaltdauer (später beschrieben) eines entsprechenden Schaltelements 63 wird von dem Kontroller 50 zu einem Basisanschluss des Transistors 64 des Phasenstromkreislaufabschnitts 11U, 11V, 11W, 11X eingegeben. Das Schaltelement 63 des Phasenstromkreislauf 11U, 11V, 11W, 11X wiederholt in Reaktion auf ein entsprechendes der Steuersignale SU, SV, SW, SX, die hierin eingegeben werden, ein Einschalten und Ausschalten. In der folgenden Beschreibung werden die Steuersignale SU, SV, SW, SX für die Stromkreislaufabschnitte 11U, 11V, 11W, 11X der jeweiligen Phasen gesammelt als „Steuersignal S“ bezeichnet ohne diese voneinander aus Zweckmäßigkeitsgründen zu unterscheiden.
  • Wenn das Schaltelement 63 eingeschalten wird, beginnt ein Strom in das Schaltelement 63 von der Brennstoffzelle 10 über die Spule 61 zu fließen und eine magnetische Energie wird aufgrund Gleichstromanregung in der Spule 61 akkumuliert. Wenn das Schaltelement 63 ausgeschalten wird, wird die magnetische Energie, die in der Spule 61 während einer Phase akkumuliert wird, wenn die Spule 61 eingeschalten wird, wird zu dem Wechselrichter 21 als ein Strom über die Diode 62 und die zweite Stromleitung L5b ausgegeben.
  • Während das Schaltelement 63 an geschalten wird und der Strom durch die Spule 61 strömt, wird die magnetische Energie in der Spule 61 als elektrische Energie akkumuliert. Während das Schaltelement 63 ausgeschalten wird, wird die magnetische Energie, die in der Spule 61 akkumuliert wird, ausgelassen, so dass der Strom über die zweite Stromleitung L5b von der Spule 61 strömt.
  • Eine induzierte Spannung, die durch die magnetische Energie erzeugt wird, die in der Spule 61 akkumuliert wird, wenn das Schaltelement 63 ausgeschalten wird, wird auf eine Ausgabespannung der Brennstoffzelle 10 überlagert. Demzufolge ist eine Spannung der zweiten Stromlinie L5b, die eine Ausgabespannung der Phasenstromkreislaufabschnitte 11U, 11V, 11W, 11X ist, höher als eine Spannung der erste Stromleitung L5a, welche die Ausgabespannung der Brennstoffzelle 10 ist.
  • Steuersignale S werden zu den Phasenstromkreislaufabschnitten 11U, 11V, 11W, 11X übertragen, so dass die Schaltelemente 63 der Phasenstromkreislaufabschnitte 11U, 11V, 11W, 11X sequenziell angeschaltet werden und Ausgabespannungen der Phasenstromkreislaufabschnitte 11U, 11V, 11W, 11X werden sequentiell übereinander überlagert. Hierbei wird eine Spannungseingabe in den Wechselrichter 21 höher gehalten als die Ausgabespannung der Brennstoffzelle 10. Aufgrund des obigen Betriebs erhöht der Brennstoffzellenwandler 11 die Spannung, die von der Brennstoffzelle 10 eingegeben wird und gibt die Spannung in den Wechselrichter 21 ein.
  • Mit Bezug auf 3 wird nachfolgend eine relative Einschaltdauer des Brennstoffzellenwandlers 11 beschrieben. 3 zeigt ein Beispiel eines Zeitdiagramm, das zeitliche Änderungen bzw. Über-Zeit-Änderungen eines Spulenstroms IL und seines Effektivstrom Ie und An/Aus Zeiten des Schaltelemente 63 darstellt. In 3 ist die zeitliche Änderung des Spulenstroms IL durch eine alternierende Lang-und-Kurzgestrichelte-Linie angezeigt und die zeitliche Änderung des Effektivstrom Ie in der Spule 61 wird durch eine kontinuierliche Linie angezeigt. In dem Beispiel aus 3 ist der Effektivstrom Ie in der Spule 61 im Allgemeinen konstant.
  • Der Kontroller 50 stellt eine relative Einschaltdauer der Phasenstromkreislaufabschnitte 11U, 11V, 11W, 11X ein, wobei die relative Einschaltdauer ein Verhältnis einer Dauer ist, wenn das Schaltelement 63 in einem Zyklus geöffnet wird, um so einen Strom, der von dem Reaktor 61 der Phasenstromkreislaufabschnitte 11U bis 11X fließt, zu steuern. In der vorliegenden Ausführungsform werden die relativen Einschaltdauern der Phasenstromkreisläufe 11U, 11V, 11W, 11X in dem gleichen Einstellverfahren eingestellt, wie in der folgenden Beschreibung, eine Steuerung der relativen Einschaltdauer des Brennstoffzellenwandlers 11 wird aufgrund der Zweckmäßigkeit beschrieben, ohne die Phasenstromkreislaufabschnitte 11U, 11V, 11 W, 11X voneinander zu unterscheiden.
  • Wie oben beschrieben beginnt der Spulenstrom IL sich zu erhöhen, wenn das Schaltelement 63 eingeschalten wird und wenn das Schaltelement 63 ausgeschalten wird, beginnt der Spulenstrom IL sich zu verringern. Der Effektivstrom Ie der Spule 61 entspricht einem zeitlichen Durchschnitt des Spulenstroms IL. Wenn ein Verhältnis einer Anschaltdauer des Schaltelements 63 in einem Zyklus größer wird und ein Verhältnis einer Ausschaltdauer daher kleiner wird, steigt demzufolge der Effektivstrom Ie der Spule 61. Umgekehrt, wenn das Verhältnis der Einschaltdauer des Schaltelements 63 in einem Zyklus kleiner wird und das Verhältnis der Ausschaltdauer von diesem groß wird, sinkt der Effektivstrom Ie der Spule 61.
  • 4 ist eine erklärende Ansicht, die einen Ablauf einer Steuerprozesses des Brennstoffzellenwandlers 11 durch den Kontroller 50 darstellt. Der Kontroller 50 führt eine Rückkopplungssteuerung der Ausgabespannung des Brennstoffzellenwandlers 11 durch, indem die relative Einschaltdauer verwendet wird. Die Steuerung durch den Kontroller 50 kann als eine Steuerung des Spannungssteuersystems gesehen werden, das in dem Brennstoffzellensystem 100 enthalten ist. Nachdem das Brennstoffzellensystem 100 gestartet wurde, wiederholt der Kontroller 50 eine Reihe von Prozessen der folgenden Schritte S10 bis S60 in einer vordefinierten Steuerphase bis das Brennstoffzellensystem 100 angehalten wird. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Steuerphase des Kontrollers 50 wegen der Zweckmäßigkeit unter der Voraussetzung beschrieben, dass die Steuerphase die gleiche wie eine Öffnungs-/Schließphase des Schaltelements 63 ist, die eine Antriebphase des Brennstoffzellenwandlers 11 ist. Die Steuerphase des Kontrollers 50 muss nicht die gleiche sein, wie die Antriebsphase des Brennstoffzellenwandlers 11 und kann länger sein als die Antriebsphase des Brennstoffzellenwandlers 11.
  • In Schritt S10 ermittelt der Kontroller 50 eine elektrische Sollleistung, die von der Brennstoffzelle 10 ausgeben wird und eine elektrische Sollleistung, die in den Wechselrichter 21 eingegeben wird. Der Kontroller 50 erfasst eine Ausgabeanfrage von dem Fahrer über ein Gaspedal AP des Brennstoffzellenfahrzeugs und ermittelt die elektrische Sollleistung gemäß der Ausgabeanfrage. Zusätzlich oder anstelle der Ausgabeanfrage von dem Fahrer, kann der Kontroller 50 die elektrische Sollleistung auf Basis einer Steueranfrage ermitteln, die intern für den Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 oder dem Brennstoffzellenfahrzeug erzeugt wird, wie etwa eine elektrische Leistung, die dem Zusatzzubehör zugeführt wird, das in dem Brennstoffzellenfahrzeug ausgebildet ist. Beispielsweise kann der Kontroller 50 einen Leistungserzeugungsbetrag der Brennstoffzelle 10 zum Aufwärmen bzw. Hochfahren der Brennstoffzelle 10 und anderem Zusatzzubehör auf Basis einer Außentemperatur, einer Temperatur der Brennstoffzelle 10 und einem Ladezustand (SOC) der Sekundärbatterie 15 ermitteln und dann die elektrische Sollleistung auf Basis des Leistungserzeugungsbetrags ermitteln. Zu der Zeit bzw. dem Zeitpunkt des Ermittelns der elektrische Sollleistungen, ist es zu bevorzugen, die vorliegenden Ausgabecharakteristiken (I-V Charakteristiken) der Brennstoffzelle 10, den Ladezustand (SOC) der Sekundärbatterie 15 und ähnliches zu berücksichtigen. Der Kontroller 50 stellt eine Sollspannung der Brennstoffzelle 10 auf einen Sollwert der Eingabespannung des Brennstoffzellenwandlers 11 ein. Ein Stromsollwert It, der ein Sollwert eines Ausgabestroms des Brennstoffzellenwandlers 11 ist, wird zudem gemäß der elektrischen Sollleistung ermittelt, die in den Wechselrichter 21 eingegeben wird. Der Stromsollwert It ist ein Wert eines Effektivstroms des Brennstoffzellenwandlers 11. Der Kontroller 50 ermittelt zudem einen Sollwert Vt der Ausgabespannung des Brennstoffzellenwandlers 11, um den Stromsollwert It, und einen Spulensollstromwert ILt zu erreichen, der ein Sollwert des Ausgabestroms (Effektivstroms) für jede Spule 61 ist.
  • Der Kontroller 50 speichert einen vorherigen Wert Ip, der ein Stromsollwert It in einem vorherigen Zyklus ist, hier in seinem eigenen Speicherabschnitt. In Schritt S20 wird der vorherige Wert Ip von einem Stromsollwert It (nachfolgend als „vorliegender Wert“ bzw. Ist-Wert bezeichnet) in einem vorliegenden Zyklus abgezogen, um so einen Änderungsbetrag ΔI zu berechnen, der ein gestiegener Betrag des vorliegenden Werts It ist, unter Berücksichtigung des vorherigen Werts Ip, der im Ausdruck (1) wie nachfolgend dargestellt ist. Δ I = It − Ip
    Figure DE102017103324B4_0001
  • In Schritt S30 führt der Kontroller 50 einen Ermittlungsprozess des Änderungsbetrags ΔI durch, um ein Berechnungsverfahren einer relativen Einschaltdauer Dc zu ermitteln. Wenn der Änderungsbetrag ΔI niedriger ist als ein vordefinierter Grenzwert Ith, berechnet der Kontroller 50 eine erste relative Einschaltdauer DCA als die relative Einschaltdauer DC in Schritt S40. In der Zwischenzeit berechnet der Kontroller 50 eine zweite relative Einschaltdauer DCB als die relative Einschaltdauer in Schritt S42, wenn der Änderungsbetrag ΔI nicht niedriger als der vordefinierte Grenzwert Ith ist. Der Änderungsgrund des Berechnungsverfahrens der relativen Einschaltdauer Dc, die von dem Änderungsbetrag ΔI abhängt, wird später beschrieben werden. Der vordefinierte Grenzwert Ith kann ein Wert sein, der im Voraus experimentell ermittelt wird. In der vorliegenden Ausführungsform wird der vordefinierte Grenzwert Ith auf einen Wert eingestellt, der eine Antwortverzögerung in einem Fall verursacht, in dem die Rückkopplungssteuerung bei dem Brennstoffzellenwandler 11 unter Verwendung der ersten relativen Einschaltdauer DCA, die unten beschrieben ist, durchgeführt wird mit einem Strom, der dem Grenzwert Ith entspricht, welcher als ein Sollwert verwendet wird.
  • In Schritt S40 berechnet der Kontroller 50 die erste relative Einschaltdauer DCA durch Addieren eines Störgrößenterms FFc und eines Rückkopplungsterms FBc, wie in dem Ausdruck (2a) wie nachfolgend gezeigt. Der Rückkopplungsterm FFc ist einer der Terme, welche einen Basisterm bilden, um eine relative Einschaltdauer Dc zu erhalten, die dem Stromsollwert It entspricht und ist ein Bestandteil, der unter Verwendung eines Messwerts VL einer vorliegenden Eingabespannung und eines Messwerts VH einer Ausgabespannung in der Spule 61 abgeleitet wird, oder unter Verwendung eines Sollwerts VLt der Eingabespannung und eines Sollwerts VHt der Ausgabespannung in der Spule 61. In der vorliegenden Ausführungsform wird der Störgrößenterm FFc unter Verwendung des Messwerts VL der vorliegenden Eingabespannung und des Messwerts VH der Ausgabespannung in der Spule 61 abgeleitet und wird durch Ausdruck (3) beispielsweise wie nachfolgend berechnet. Der Rückkopplungsterm FBc ist ein Bestandteil, um eine Differenz zwischen einem Betrag einer vorliegenden Ausgabe und einer Sollausgabe in dem Brennstoffzellenwandler 11 zu eliminieren. In der vorliegenden Ausführungsform wird der Rückkopplungsterm FBc unter Verwendung eines Effektivwerts Iem des Spulenstroms IL und des Spulensollstromwerts ILt abgeleitet. Der Rückkopplungsterm FBc der ersten relativen Einschaltdauer DCA wird durch den Ausdruck (4) wie nachfolgend berechnet. Eine Proportionalverstärkung Kpa und eine Integralverstärkung Kia in Ausdruck (4) sind vordefinierte Koeffizienten, welche einen Bestandteil, der einen Strom anzeigt, in einen Bestandteil wandeln können, der eine relative Einschaltdauer anzeigt. Der Rückkopplungsterm FBc ist einer der Terme, die einen Basisterm bilden, um eine relative Einschaltdauer Dc zu erhalten, welche dem Stromsollwert It entspricht.
    <erste relative Einschaltdauer DCA> D CA = FF C + FB C
    Figure DE102017103324B4_0002
     FF C = 1 − V L / V H .
    Figure DE102017103324B4_0003
     FB C = Kp a × ( I Lt − Iem ) + Ki a × ∑ ( I Lt − Iem )
    Figure DE102017103324B4_0004
  • Kpa: die Proportionalitätsverstärkung, Kia: die Integralverstärkung, ILt: der Sollwert (Effektivwert) des Ausgabestroms der Spule 61, Iem: der Messwert (Effektivwert) des vorliegenden Ausgabestroms der Spule 61, VL: der Messwert der Eingabespannung des Brennstoffzellenwandlers 11, VH: der Messwert der Ausgabespannung des Brennstoffzellenwandlers 11
  • In Schritt S42 berechnet der Kontroller 50 die zweite relative Einschaltdauer DCB durch Addieren eines Zusatzterms α/t zu dem Basisterm, der durch den Störgrößenterm FFc und den Rückkopplungsterm FBc gebildet wird, wie in Ausdruck (2b) wie nachfolgend gezeigt ist. Der Störgrößenterm FFc für die zweite relative Einschaltdauer DCB kann der gleiche Wert sein, wie der durch Ausdruck (3) berechnete. In der Zwischenzeit wird der Rückkopplungsterm FBc unter Verwendung einer Proportionalitätsverstärkung Kpb und einer Integralverstärkung Kib berechnet, die von jenen unterschiedlich sind, die für die erste relative Einschaltdauer DCA verwendet werden, wie in Ausdruck (4') dargestellt ist. Es sei angemerkt, dass die Proportionalitätsverstärkung Kpb und die Integralverstärkung Kib 0 sein kann. In diesem Fall wird die zweite relative Einschaltdauer DCB zumindest durch Addieren des Zusatzterms α/T zu einem Basisterm berechnet werden, der nur aus dem Störgrößenterm FFc gebildet ist. Der Zusatzterm α/T ist ein Bestandteil, um einen Wert der zweiten relativen Einschaltdauer DCB in Abhängigkeit des Änderungsbetrag ΔI zu erhöhen, und wird unter Verwendung des Änderungsbetrags ΔI abgeleitet. Der Zusatzterm α/T wird durch den Ausdruck (5) beispielsweise wie folgt berechnet. Der Grund, um eine Variable α durch eine Dauer T zu teilen, ist, um die Variable α, die sich in Abhängigkeit des Änderungsbetrags ΔI ändert, in einem Ausdruck aufzunehmen, um eine relative Einschaltdauer zu erhalten.
    <zweite relative Einschaltdauer DCB> D CB = FF C + FB C + α / T
    Figure DE102017103324B4_0005
     FF C = 1 − V L / V H
    Figure DE102017103324B4_0006
     FB C = Kp b ⋅ ( I Lt − Iem ) + Ki b ⋅ ∑ ( I Lt − Iem )
    Figure DE102017103324B4_0007
     α / T = ( L ⋅ Δ I ) / V Ht
    Figure DE102017103324B4_0008
  • Kpb: die Proportionalitätsverstärkung, Kib: die Integralverstärkung, L: eine Induktivität der Spule 61, T: die Öffnungs-/Schließdauer des Schaltelements 63 (die Antriebsdauer des Brennstoffzellenwandlers 11)
  • In der vorliegenden Ausführungsform ist der Zusatzterm α/T ein Wert, bei welchem die Induktivität L der Spule 61 reflektiert wird. Es sei angemerkt, dass es wünschenswert ist, dass die Induktivität L ein Wert ist, der für die Spule 61 von jeder der Phasenstromkreislaufabschnitte 11U, 11V, 11W, 11X gefunden wird, und es zu bevorzugen ist, dass der Zusatzterm α/T für die Spule 61 für jeden der Phasenstromkreislaufabschnitte 11U, 11V, 11W, 11X abgeleitet und eingestellt wird. Dadurch kann der Zusatzterm α/T ein Wert sein, bei welchem die Charakteristik der Spule 61 von jedem der Phasenstromkreislaufabschnitte 11U, 11V, 1 1W, 11X reflektiert wird. Ein Ursprung des Ausdrucks (5), um den Zusatzterm α/T abzuleiten und eine Funktion und Aufgabe des Zusatzterms α/T werden später beschrieben werden.
  • In Schritt S50 veranlasst der Kontroller 50, dass der Brennstoffzellenwandler 11 einen Boostbetrieb durch die relative Einschaltdauer DC durchführt, die in Schritt S40 oder Schritt S42 abgeleitet werden. Noch genauer erzeugt der Kontroller 50 ein Steuersignal S, das eine relative Einschaltdauer Dc anzeigt und überträgt es zu dem Schaltelement 63 des Phasenstromkreislaufabschnitts 11U, 11V, 11W, 11X, um so eine Öffnungs-/Schließantriebsdauer des Schaltelements 63 einzustellen.
  • Der Kontroller 50 wiederholt Prozesse der Schritte S10 bis S50 in einer vordefinierten Steuerdauer bis der Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 angehalten wird (Schritt S60). Es sei angemerkt, dass ein Fall, in dem der Betrieb des Brennstoffzellensystems 100 angehalten wird, ein Fall sein kann, in dem die Zufuhr der elektrische Leistung von der Brennstoffzelle 10 zu anderen Teilen unterbrochen wird oder ein Fall sein kann, in dem der Betrieb der Brennstoffzelle 10 angehalten wird.
  • In dem Brennstoffzellensystem 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird der Rückkopplungsterm FBc für die Berechnung der relativen Einschaltdauer Dc des Brennstoffzellenwandlers 11 verwendet. Nachdem die relative Einschaltdauer Dc, die dem Sollwert It entspricht, dementsprechend eingestellt wird, kann die Ausgabespannung des Brennstoffzellenwandlers 11 nahe an den Sollwert VHt jedes Mal wenn der Zyklus wiederholt wird, gebracht werden. In dem Brennstoffzellensystem 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird die zweite relative Einschaltdauer DCB, die unter Verwendung des Zusatzterms α/T berechnet wird, als die relative Einschaltdauer Dc verwendet, insbesondere wenn der Stromsollwert It des Brennstoffzellenwandlers 11 durch einen Änderungsbetrag ΔI steigt, der einen Grenzwert Ith während einem Zyklus übersteigt. Hierdurch wird, wie unten beschrieben, die Folgbarkeit bzw. Nachfolgbarkeit des Stromsollwerts It des Ausgabestroms des Brennstoffzellenwandlers 11 erhöht.
  • 5 ist eine erklärende Ansicht, um ein Berechnungsverfahren des Zusatzterms α/T zu beschreiben, das für die Berechnung der zweiten relativen Einschaltdauer DCB verwendet wird. 5 stellt ein Beispiel einer zeitlichen Änderung bzw. Über-Zeit-Änderung des Spulenstroms IL während der Steuerung einer Steuerdauer T dar. Es wird angenommen, dass ein nachfolgender Sollwert Ine während einem gegeben Zyklus (Zeit t1 bis t2) eingestellt wird, in dem der Spulenstrom IL bei einem Sollstrom Ic eines vorliegenden Stroms gesteuert wird. Es sei angemerkt, dass eine Einschaltdauer in dieser Dauer durch TON und eine Ausschaltdauer durch TOFF angezeigt wird. Zudem ist ein Änderungsbetrag ΔI des nachfolgenden Sollwerts Ine zu dem vorliegenden Sollwert Ic ein Wert, der nicht geringer als der vordefinierte Grenzwert Ith ist, der in Schritt S30 in 4 verwendet wird.
  • Zu diesem Zeitpunkt ist es wünschenswert, um einen Effektivstrom des Sollwerts Ine in der Spule 61 in einer nachfolgenden Dauer (Zeit t2 bis t3) zu erreichen, dass ein Strom Is, welcher größer als ein Minimalwert Ib des Stroms in der vorliegenden Dauer ist, nur um den Änderungsbetrag ΔI (Zeit t1 bis t2), zu dem Zeitpunkt t2 ausgegeben wird. Wenn eine Anschaltdauer, welche verlängert wird, um den Strom Is zu dem Zeitpunkt t2 zu erreichen, als ΔT angenommen wird, wird ein Verhältnis zwischen einer verlängerten Zeit ΔT und dem Änderungsbetrag ΔI durch den nachfolgenden Ausdruck (6) ausgedrückt. VL/L in Ausdruck (6) ist eine Änderungsrate des Spulenstroms IL zu einer Zeit, während der Anschaltdauer, und (VH - VL)/L ist eine Änderungsrate des Spulenstroms IL zu einem Zeitpunkt, während der Ausschaltdauert. Die verlängerte Zeit ΔT wird wie der Ausdruck (7) aus Ausdruck (6) erreicht.   Δ I = ( V L / L ) ⋅ ( T ON + Δ T ) − { ( V H − V L ) / L } ⋅ ( T OFF − Δ T ) = { ( V L / L ) ⋅ T ON − ( V H − V L ) ⋅ T OFF } + ( V H / L ) ⋅ Δ T= ( V H / L ) ⋅ Δ T
    Figure DE102017103324B4_0009
     ( ∵ ( V L / L ) ⋅ T ON − ( V H − V L ) ⋅ T OFF = 0 ) Δ T = Δ I ⋅ L / V H
    Figure DE102017103324B4_0010
  • Die verlängerte Zeit ΔT aus Ausdruck (7) entspricht einer Variable α, die in Ausdruck (5) begründet ist. D.h., um den Änderungsbetrag ΔI in einer nachfolgenden Steuerphase zu erreichen, kann der Zusatzterm α/T zu der relativen Einschaltdauer als ein Bestandteil verstanden werden, um die verlängerte Zeit ΔT der Anschaltdauer zu reflektieren, die in Abhängigkeit zu dem Änderungsbetrag ΔI ermittelt wird. Er kann zudem auch als ein Bestandteil interpretiert werden, welcher der verlängerten Zeit ΔT entspricht, welche eine Variation der relativen Einschaltdauer Dc ist, welche dem Änderungsbetrag ΔI des Sollwerts in einem Zyklus entspricht. In der vorliegenden Ausführungsform kann es zudem derart verstanden bzw. gesehen werden, dass der Kontroller 50 die verlängerte Zeit ΔT, welche eine Variation der relativen Einschaltdauer in dem Zusatzterm α/T ist, einstellt, so dass ein Gesamtwert bzw. Gesamtsumme einer Variation einer elektrischen Energie, die in der Spule 61 während einem Zyklus akkumuliert wird, und einer Variation einer elektrischen Energie, die von der Spule 61 ausgelassen wird, einem Änderungsbetrag ΔI entspricht, die eine Variation eines Sollwerts während einem Zyklus ist.
  • 6 ist eine erklärende Ansicht, die ein Beispiel eines Zeitdiagramms darstellt, das jeweilige Änderungen eines Ausgabestroms des Brennstoffzellenwandlers 11 sowie des Störgrößenterms FFc, des Rückkopplungsterms FBc, und des Zusatzterm α/T in der relativen Einschaltdauer DC darstellt. Eine Zeitachse in 6 wird durch jede Steuerphase T (Zeiten t1 bis t5) geteilt bzw. unterteilt. In einem oberen Teil des Zeitdiagramms aus 6 wird eine Änderung des Stromsollwerts It als ein Befehlswert durch eine kontinuierliche Linie dargestellt, und ein Ausgabestrom Im, der ein Messwert des Effektivstroms ist, der von dem Brennstoffzellenwandler 11 ausgegeben wird, wird durch eine alternierend lang und kurz gestrichelte Linie angezeigt. Zudem wird als ein Vergleichsbeispiel ein Ausgabestrom Ima des Brennstoffzellenwandlers 11 in einem Fall einer Steuerung durch die Verwendung einer relativen Einschaltdauer, die durch Abziehen des Zusatzterms α/T von der zweiten relativen Einschaltdauer DCB erhalten wird, durch eine Zwei-Punkt-Strich-Linie angezeigt.
  • Während einem Zyklus kann der Stromsollwert It einen plötzlichen Anstieg zeigen, bei dem der Änderungsbetrag ΔI den Grenzwert Ith hier übersteigt. In einem solchen Fall wird in dem Brennstoffzellensystem 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zuerst der Zusatzterm α/T hinzugefügt, so dass die zweite relative Einschaltdauer DCB verwendet wird, bei welcher ein Verhältnis der Einschaltdauer weit erhöht wird. Demzufolge ist es möglich, den Wert der relativen Einschaltdauer Dc zu erhöhen, bevor der Wert des Rückkopplungsterms FBc beginnt zu steigen, so dass der Ausgabestrom Im des Brennstoffzellenwandlers 11 nahe zu dem Sollwert It in einer kurzen Zeit gebracht werden kann. Wie in den Termen aus 5 beschrieben, ist insbesondere der Zusatzterm α/T der vorliegenden Ausführungsform ein Wert, bei dem der Änderungsbetrag ΔI als eine Variation des Sollwerts It oder der Induktivität L der Spule 61 reflektiert wird, so dass ein erhöhter Betrag des Ausgabestroms Im in geeigneter Weise gesteuert wird.
  • In dem Brennstoffzellensystem 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird zudem die erste Einschaltdauer DCA, in welcher der Zusatzterm α/T nicht addiert wird, anstelle der zweiten Einschaltdauer DCB verwendet, wenn ein Wert des Rückkopplungsterms FBc beginnt zu steigen und eine Differenz zwischen dem Sollwert It und einem vorliegenden Ausgabestrom Im klein wird. D.h., in dem Brennstoffzellensystem 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird, wenn der Änderungsbetrag ΔI größer als der vordefinierte Grenzwert Ith ist, der Zusatzterm α/T kurzzeitig zu der relativen Einschaltdauer Dc als eine Übergangsphase addiert, wenn eine Änderung der Sollausgabe groß ist. Dann wird eine Phase, wenn der Änderungsbetrag ΔI der vordefinierte Grenzwert Ith oder weniger ist, als eine konstante Dauer genommen und das Hinzunehmen bzw. Addition des Zusatzterms α/T zu der relativen Einschaltdauer DC wird beendet. In dem Brennstoffzellensystem 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird der Zusatzterm α/T kurzzeitig zu dem Basisterm nur während der Übergangsdauer hinzugefügt. Demzufolge ist es möglich, die Anschaltdauer TON in einem Zyklus vom vergeblichen Ansteigen wegen der Verwendung des Zusatzterms α/T zum Einstellen der relativen Einschaltdauer Dc während der konstanten Phase zu hindern. Demzufolge ist es möglich, das Übersteuern zu beschränken, bei dem der Ausgabestrom Im des Brennstoffzellenwandlers 11 weit den Sollwert It übersteigt, wenn die Übergangsdauer zu der konstanten Phase wechselt, so dass es möglich ist, ein Schwanken des Ausgabestroms Im aufgrund eines solchen Übersteuerns zu beschränken.
  • Gemäß des Brennstoffzellensystems 100 der vorliegenden Ausführungsform wird wie oben beschrieben die Antwort bzw. Ansprechverhalten oder Folgbarkeit bzw. Nachfolgbarkeit nach dem Sollwert des Ausgabestroms des Brennstoffzellenwandlers 11 erhöht, so dass eine Steuerbarkeit des Brennstoffzellenwandlers 11 steigt.
  • Modifikation 1: in der obigen Ausführungsform besteht der Brennstoffzellenwandler 11 aus einem Vierphasigen-Brückenwandler, aber die Anzahl der Phasen des Brennstoffzellenwandlers 11 ist nicht auf vier beschränkt. Die Anzahl der Phasen des Brennstoffzellenwandlers 11 kann ein, zwei, oder drei oder sogar vier oder mehr sein. Zudem enthält in der obigen Ausführungsform der Brennstoffzellenwandler 11 die Spule 61 als ein Element, welches eine elektrische Energie akkumuliert. In dieser Hinsicht kann der Brennstoffzellenwandler 11 weitere Elemente anstelle der Spule 61 enthalten, die eine elektrische Energie akkumulieren.
  • Modifikation 2: in der obigen Ausführungsform wird die zweite relative Einschaltdauer DCB verwendet, in welcher ein positiver Zusatzterm α/T hinzugefügt wird, wenn der Ist-Wert It relativ zu dem vorherigem Wert Ip um den Änderungsbetrag ΔI steigt, welcher den vordefinierten Grenzwert Ith übersteigt. Wenn der Ist-Wert It relativ zu dem vorherigen Wert Ip um einen Änderungsbetrag ΔI sinkt, welcher einen vordefinierten Grenzwert übersteigt, kann eine zweite relative Einschaltdauer DCB verwendet werden, in welcher ein negativer Zusatzterm α/T hinzugefügt wird, der eine Verringerung einer relativen Einschaltdauer Dc anzeigt, die dem Änderungsbetrag ΔI entspricht. Ein Absolutwert des Zusatzterms, der verwendet wird, wenn der Sollwert It steigt, kann zudem von einem Absolutwert des Zusatzterms verschieden sein, der verwendet wird, wenn der Sollwert It sinkt. Wenn der Sollwert It sinkt, kann ein Zusatzterm, der in gewissem Maße kleiner ist als einer, der verwendet wird, wenn der Sollwert It steigt, verwendet werden.
  • Modifikation 3: wenn der Änderungsbetrag ΔI geringer als der vordefinierte Grenzwert Ith ist, wird in der obigen Ausführungsform die erste Einschaltdauer DCA, die ohne Verwendung des Zusatzterms α/T abgeleitet wird, als die relative Einschaltdauer DC eingestellt. In dieser Hinsicht können der Ermittlungsprozess aus Schritt S30 und die Steuerung, welche die erste relative Einschaltdauer DCA verwendet, ausgelassen werden und unabhängig von dem Wert des Änderungsbetrags ΔI wird eine Steuerung durchgeführt, welche die zweite relative Einschaltdauer DCB verwendet, zu welcher der Zusatzterm α/T hinzugefügt wird. Wenn der Änderungsbetrag ΔI sinkt, verringert sich auch bei einer solchen Konfiguration ein Wert des Zusatzterms α/T, so dass die Verringerung der Steuerbarkeit aufgrund der Hinzunahme bzw. Addition des Zusatzterms α/T beschränkt wird. In diesem Fall ist es für die Proportionalitätsverstärkung Kpb und die Integralverstärkung Kib des zweiten Rückkopplungsterms FBc wünschenswert, dass sie nicht null sind.
  • Modifikation 4: Der Zusatzterm α/T wird durch den Ausdruck (5), welcher die Induktivität L der Spule 61, den Änderungsbetrag ΔI und den Zielwert VHt der Ausgabespannung des Brennstoffzellenwandlers 11 verwendet, berechnet. In dieser Hinsicht kann der Zusatzterm α/T unter Verwendung weiterer Ausdrücke berechnet werden. Der Zusatzterm α/T kann beispielsweise unter Verwendung des Messwerts VH der Ausgabespannung des Brennstoffzellenwandlers 11 anstelle des Zielwerts VHt der Ausgabespannung berechnet werden und der Zusatzterm α/T kann beispielsweise durch den nachfolgenden Ausdruck (8) berechnet werden. Demzufolge kann ein Messwert VH einer vorliegenden Ausgabespannung mit dem Zusatzterm α/T wiedergegeben werden. α / T = ( L × Δ I ) / V H
    Figure DE102017103324B4_0011
  • Modifikation 5: Der Störgrößenterm FFc der relativen Einschaltdauer Dc wird durch den Ausdruck (3) in der obigen Ausführungsform berechnet, der Rückkopplungsterm FBC wird durch Ausdruck (4) berechnet und der Zusatzterm α/T wird durch Ausdruck (5) berechnet. In dieser Hinsicht können der Störgrößenterm FFc und der Rückkopplungsterm FBc der relativen Einschaltdauer Dc und der Zusatzterm α/T durch andere Ausdrücke berechnet werden oder können durch andere Verfahren als das Verfahren, welche die Ausdrücke verwendet, abgeleitet werden. Beispielsweise kann der Störgrößenterm FFc durch den nachfolgenden Ausdruck (3') berechnet werden. FF C = 1 − V Lt / V Ht
    Figure DE102017103324B4_0012
  • VLt: ein Sollwert einer Eingabespannung des Brennstoffzellenwandlers 11, VHt: ein Sollwert einer Ausgabespannung des Brennstoffzellenwandler 11
  • Der Störgrößenterm FFC kann unter Verwendung eines Kennfelds abgeleitet werden, durch welchen ein Wert eindeutig mit Bezug zu einer Kombination des Messwerts VL der vorliegenden Eingabespannung und des Messwerts VH der Ausgabespannung in der Spule 61, oder einer Kombination des Sollwerts Vu der Eingabespannung und des Sollwerts VHt der Ausgabespannung in der Spule 61 ermittelt wird. Zudem kann der Störgrößenterm FFc unter Verwendung eines Sollwerts eines Eingabestroms und eines Sollwerts eines Ausgabestroms abgeleitet werden oder kann unter Verwendung eines Messwerts einer Eingabeleistung und eines Messwerts einer Ausgabeleistung abgeleitet werden.
  • Der Rückkopplungsterm FBc wird in der obigen Ausführungsform durch Ausdrücke (4), (4') berechnet, welche den Effektivwert Iem, welcher dem Messwert der Ausgabe der Spule 61 entspricht, und den Spulensollstromwert ILt, der dem Sollwert der Ausgabe der Spule 61 entspricht, verwenden. In dieser Hinsicht kann der Rückkopplungsterm FBc durch Verwenden eines Kennfelds oder ähnlichem abgeleitet werden, durch welchen ein Wert eindeutig bezüglich einer Kombination des Effektivwerts Iem und des Spulensollstromwerts ILt abgeleitet wird. Zudem kann der Rückkopplungsterm FBc unter Verwendung des Messwerts VH und des Sollwerts VHt der Ausgabespannung des Messwerts und des Sollwerts der Ausgabe der Spule 61 abgeleitet werden. Der Rückkopplungsterm FBc kann unter Verwendung des Messwerts und des Sollwerts der Ausgabeleistung der Spule 61 abgeleitet werden. Der Rückkopplungsterm FBc verwendet wird, der für die Herleitung der ersten Einschaltdauer DCA und des Rückkopplungsterms FBc, der für die Herleitung der zweiten relativen Einschaltdauer DCB verwendet wird, kann verschieden sein oder gleich sein, wie der in der obigen Ausführungsform Beschriebene.
  • Der Zusatzterm α/T soll unter Verwendung des Änderungsbetrags ΔI oder der Verwendung des vorherigen Werts Ip und des vorliegenden Werts It abgeleitet werden. Ein Wert beispielsweise, welcher sich in Abhängigkeit des Änderungsbetrags ΔI ändert, kann eindeutig bezüglich des Änderungsbetrags ΔI oder beispielsweise einer Kombination des vorherigen Werts Ip und des vorliegenden Werts It aus einem Kennfeld oder ähnlichem im Voraus eingestelltem abgeleitet werden. Die relative Einschaltdauer Dc kann einen anderen Bestandteil als den Störgrößenterm FFc, den Rückkopplungsterm FBc und den Zusatzterm α/T enthalten, solange der Bestandteil nicht die Spannungssteuerung des Brennstoffzellenwandler 11 beeinflusst.
  • Modifikation 6: Der Kontroller 50 führt die nachfolgende Steuerung im Hinblick auf den Brennstoffzellenwandler 11 unter Verwendung jeweiliger relativer Einschaltdauern durch, die auf Basis verschiedener Kriterien eingestellt werden: eine Steuerung eines diskontinuierlichen Modus, in dem der Sollwert It niedrig ist und der Ausgabestrom der Spule 61 unregelmäßig bzw. intermittierend null wird; und eine Steuerung eines diskontinuierlichen Modus, in dem der Sollwert It hoch ist und der Ausgabestrom der Spule 61 kontinuierlich größer wird als null während einem Zyklus. In diesem Fall soll die Steuerung der relativen Einschaltdauer DC, welche den Zusatzterm in der obigen Ausführungsform verwendet, zumindest auf die Steuerung des kontinuierlichen Modus aufgebracht werden.
  • Modifikation 7: Die obige Ausführungsform beschreibt eine beispielhafte Konfiguration, in welcher das Spannungssteuersystem als eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf das Brennstoffzellensystem 100 aufgebracht wird und verwendet wird, um die Spannung der Brennstoffzelle 10 zu erhöhen. In dieser Hinsicht ist die Konfiguration des Spannungssteuersystems der vorliegenden Erfindung nicht auf das Brennstoffzellensystem 100 beschränkt und kann bei verschiedenen Vorrichtungen und Systemen, welche eine Spannung erzeugen, verwendet werden. Die Konfiguration des Spannungssteuersystems der vorliegenden Erfindung kann auf ein Leistungserzeugungssystem aufgebracht werden, das einen Leistungserzeugungskörper außer einer Brennstoffzelle enthält.

Claims (10)

  1. Spannungssteuersystem, das eine Ausgabespannung in Abhängigkeit eines Stromzielwerts steuert, wobei das Spannungssteuersystem aufweist: eine Wandlervorrichtung (11), die eine Spule (61) enthält, die eine elektrische Energie akkumuliert, wobei die Wandlervorrichtung derart konfiguriert ist, dass sie bei einer relativen Einschaltdauer arbeitet, die als ein Verhältnis einer akkumulierten Dauer ermittelt wird, in der die Energie eingegeben wird und in der Spule in einem Zyklus akkumuliert wird, um so eine Eingabespannung zu erhöhen; und einen Kontroller (50), welcher derart konfiguriert ist, dass er die relative Einschaltdauer in Abhängigkeit des Stromsollwerts einstellt, um so die Wandlervorrichtung (11) zu veranlassen, einen Boostbetrieb der Eingabespannung wiederholt durchzuführen, wobei der Kontroller (50) derart konfiguriert ist, dass er die relative Einschaltdauer unter Verwendung eines Basisterms, der einen Störgrößenterm (FFc) enthält, und eines Zusatzterm (α/T) einstellt, wobei der Störgrößenterm (FFc) unter Verwendung von jeweiligen Sollwerten eines Betrags einer Eingabe der Spule (61) und eines Betrags einer Ausgabe der Spule (61) abgeleitet wird, wobei die jeweiligen Sollwerte in Abhängigkeit des Stromsollwerts eingestellt werden, der Zusatzterm (α/T) unter Verwendung einer Variation des Stromsollwerts während einem Zyklus abgeleitet wird, und hinzugefügt wird, um die relative Einschaltdauer in Abhängigkeit der Variation zu ändern, wobei der Kontroller (50) derart konfiguriert ist, dass er die relative Einschaltdauer unter Verwendung des Basisterms, in dem ein Rückkopplungsterm (FBc) zu dem Störgrößenterm (FFc) hinzugefügt wird, und des Zusatzterms (α/T) einstellt, wobei der Rückkopplungsterm (FBc) unter Verwendung des Messwerts des Betrags der Ausgabe der Spule (61) und eines Sollwerts des Betrags der Ausgabe der Spule (61) abgeleitet wird, wobei der Sollwert in Abhängigkeit des Stromsollwerts eingestellt wird, und wobei der Kontroller (50) derart konfiguriert ist, dass: wenn die Variation (ΔI) ein vordefinierter Grenzwert oder mehr ist, der Kontroller (50) die relative Einschaltdauer unter Verwendung des Basisterms und des Zusatzterms (α/T) einstellt, und wenn die Variation weniger als der vordefinierte Grenzwert ist, der Kontroller (50) die relative Einschaltdauer ohne Verwendung des Zusatzterms (α/T) einstellt.
  2. Spannungssteuersystem nach Anspruch 1, weiter aufweisend: einen Ausgabemessabschnitt (32, 67U, 67V, 67W, 67X), welcher derart konfiguriert ist, dass er den Betrag der Ausgabe von der Spule (61) misst, wobei der Kontroller (50) derart konfiguriert ist, dass er die relative Einschaltdauer durch Verwendung des Basisterms, in dem ein Rückkopplungsterm (FBc) zu dem Störgrößenterm (FFC) hinzugefügt wird, und des Zusatzterms (α/T) einstellt, wobei der Rückkopplungsterm (FBc) abgeleitet wird, indem ein Messwert des Betrag der Ausgabe der Spule (61) und des Sollwerts des Betrags der Ausgabe der Spule verwendet werden.
  3. Spannungssteuersystem, das eine Ausgabespannung in Abhängigkeit eines Stromsollwerts steuert, wobei das Spannungssteuersystem aufweist: eine Wandlervorrichtung (11), die eine Spule (61) enthält, die elektrische Energie akkumuliert, wobei die Wandlervorrichtung (11) derart konfiguriert ist, dass sie bei einer relativen Einschaltdauer arbeitet, die als ein Verhältnis einer akkumulierten Dauer ermittelt wird, in der die Energie eingegeben wird und in der Spule (61) in einem Zyklus akkumuliert wird, um so eine Eingabespannung zu erhöhen; einen Eingabemessabschnitt (31), welcher derart konfiguriert ist, dass er einen Betrag einer Eingabe bezüglich der Spule (61) misst; einen Ausgabemessabschnitt (32, 67U, 67V, 67W, 67X), welcher derart konfiguriert ist, dass er einen Betrag einer Ausgabe von der Spule misst; und einen Kontroller (50), welcher derart konfiguriert ist, dass er die relative Einschaltdauer in Abhängigkeit des Stromsollwerts einstellt, um so die Wandlervorrichtung zu veranlassen, wiederholt einen Boostbetrieb der Eingabespannung durchzuführen, wobei der Kontroller (50) derart konfiguriert ist, dass der die relative Einschaltdauer unter Verwendung eines Basisterms, der einen Störgrößenterm (FFc) enthält, und eines Zusatzterms (α/T) einstellt, wobei der Störgrößenterm (FFc) unter Verwendung eines Messwerts des Betrags der Eingabe der Spule (61) und eines Messwerts des Betrags der Ausgabe der Spule (61) abgeleitet wird, der Zusatzterm (α/T) unter Verwendung einer Variation des Stromsollwerts während dem einen Zyklus abgeleitet wird und hinzugefügt wird, um die relative Einschaltdauer in Abhängigkeit der Variation zu ändern, wobei der Kontroller (50) derart konfiguriert ist, dass er die relative Einschaltdauer unter Verwendung des Basisterms, in dem ein Rückkopplungsterm (FBc) zu dem Störgrößenterm (FFC) hinzugefügt wird, und des Zusatzterms (α/T) einstellt, wobei der Rückkopplungsterm (FBC) unter Verwendung des Messwerts des Betrags der Ausgabe der Spule (61) und eines Sollwerts des Betrags der Ausgabe der Spule (61) abgeleitet wird, wobei der Sollwert in Abhängigkeit des Stromsollwerts eingestellt wird, und wobei der Kontroller (50) derart konfiguriert ist, dass: wenn die Variation (ΔI) ein vordefinierter Grenzwert oder mehr ist, der Kontroller (50) die relative Einschaltdauer unter Verwendung des Basisterms und des Zusatzterms (α/T) einstellt, und wenn die Variation weniger als der vordefinierte Grenzwert ist, der Kontroller (50) die relative Einschaltdauer ohne Verwendung des Zusatzterms (α/T) einstellt.
  4. Spannungssteuersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Kontroller (50) den Zusatzterm (α/T) derart einstellt, so dass eine Gesamtsumme einer Variation der elektrischen Energie, die in der Spule (61) während dem einen Zyklus akkumuliert wird, und eine Variation der elektrischen Energie, die von der Spule (61) ausgelassen wird, der Variation des Stromsollwerts während dem einen Zyklus entspricht.
  5. Spannungssteuersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Kontroller (50) derart konfiguriert ist, dass er als den Zusatzterm einen Wert von α/T verwendet, der als α/T = (L • ΔI)/VHt erhalten wird, wobei ΔI die Variation des Stromsollwerts anzeigt, L eine Induktivität der Spule anzeigt, T eine Dauer des einen Zyklus anzeigt und VHt einen Sollwert einer Ausgabespannung der Spule anzeigt, wobei der Sollwert der Sollwert des Betrags der Ausgabe der Spule ist.
  6. Spannungssteuersystem nach Anspruch 1, weiter aufweisend: einen Ausgabemessabschnitt (32), welcher derart konfiguriert ist, dass er eine Ausgabespannung der Spule misst, wobei der Kontroller (50) derart konfiguriert ist, dass er als den Zusatzterm einen Wert aus α/T verwendet, der als α/T = (L · ΔI)/VH erhalten wird, wobei ΔI die Variation des Stromsollwerts anzeigt, L eine Induktivität der Spule anzeigt, T eine Dauer des einen Zyklus anzeigt und VH einen Messwert der Ausgabespannung der Spule anzeigt.
  7. Spannungssteuersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei: der Ausgabemessabschnitt (32) derart konfiguriert ist, dass er eine Ausgabespannung (VH) der Spule als den Betrag der Ausgabe der Spule (61) misst; und der Kontroller (50) derart konfiguriert ist, dass er als den Zusatzterm einen Wert aus α/T verwendet, der als α/T = L · ΔI)/VH erhalten wird, wobei ΔI die Variation des Stromsollwerts anzeigt, L eine Induktivität der Spule anzeigt, T eine Dauer des einen Zyklus anzeigt und VH einen Messwert der Ausgabespannung der Spule anzeigt.
  8. Brennstoffzellensystem, aufweisend: eine Brennstoffzelle (10); und das Spannungssteuersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Spannungssteuersystem derart konfiguriert ist, dass es eine Spannung, die von der Brennstoffzelle ausgegeben wird, als die Eingabespannung erhöht.
  9. Steuerverfahren für ein Spannungssteuersystem, das eine Wandlervorrichtung enthält, die eine Spule enthält, die eine elektrische Energie akkumuliert, wobei die Wandlervorrichtung derart konfiguriert ist, dass sie bei einer relativen Einschaltdauer arbeitet, die als ein Verhältnis einer akkumulierten Dauer ermittelt wird, in der die Energie eingegeben wird und in der Spule in einem Zyklus akkumuliert wird, um so eine Eingabespannung zu erhöhen, wobei das Spannungssteuersystem derart konfiguriert ist, um eine Ausgabespannung auszugeben, die erhalten wird, indem die Eingabespannung in Abhängigkeit eines Stromsollwerts erhöht wird, wobei das Steuerverfahren aufweist: Einstellen der relativen Einschaltdauer in Abhängigkeit des Stromsollwerts, um die Wandlervorrichtung zu veranlassen, wiederholt einen Boostbetrieb durchzuführen, wobei die relative Einschaltdauer unter Verwendung eines Basisterms, der einen Störgrößenterm enthält, und eines Zusatzterms eingestellt wird, wobei der Störgrößenterm unter Verwendung der jeweiligen Sollwerte eines Betrags einer Eingabe der Spule und eines Betrags einer Ausgabe der Spule abgeleitet wird, die jeweiligen Sollwerte in Abhängigkeit des Stromsollwerts eingestellt werden, der Zusatzterm unter Verwendung einer Variation des Stromsollwerts während dem einen Zyklus abgeleitet wird und hinzugefügt wird, um die relative Einschaltdauer in Abhängigkeit der Variation zu ändern; Einstellen der relativen Einschaltdauer unter Verwendung des Basisterms, in dem ein Rückkopplungsterm (FBc) zu dem Störgrößenterm (FFc) hinzugefügt wird, und des Zusatzterms (α/T), wobei der Rückkopplungsterm (FBc) unter Verwendung des Messwerts des Betrags der Ausgabe der Spule (61) und eines Sollwerts des Betrags der Ausgabe der Spule (61) abgeleitet wird, wobei der Sollwert in Abhängigkeit des Stromsollwerts eingestellt wird; wenn die Variation (ΔI) ein vordefinierter Grenzwert oder mehr ist, Einstellen der relativen Einschaltdauer unter Verwendung des Basisterms und des Zusatzterms (α/T), und wenn die Variation weniger als der vordefinierte Grenzwert ist, Einstellen der relativen Einschaltdauer ohne Verwendung des Zusatzterms (α/T).
  10. Steuerverfahren eines Spannungssteuersystems, das eine Wandlervorrichtung enthält, die eine Spule enthält, die eine elektrische Energie akkumuliert, wobei die Wandlervorrichtung derart konfiguriert ist, dass sie bei einer relativen Einschaltdauer arbeitet, die als ein Verhältnis einer akkumulierten Dauer ermittelt wird, in der die Energie eingegeben wird und in der Spule in einem Zyklus akkumuliert wird, um so eine Eingabespannung zu erhöhen, wobei das Spannungssteuersystem derart konfiguriert ist, um eine Ausgabespannung auszugeben, die erhalten wird, indem die Eingabespannung in Abhängigkeit eines Stromsollwerts erhöht wird, wobei das Steuerverfahren aufweist: Einstellen der relativen Einschaltdauer in Abhängigkeit des Stromsollwerts, um so die Wandlervorrichtung zu veranlassen, wiederholt einen Boostbetrieb durchzuführen, wobei ein Betrag einer Eingabe und ein Betrag einer Ausgabe in der Spule gemessen werden, so dass die relative Einschaltdauer unter Verwendung eines Basisterms, der einen Störgrößenterm enthält, und eines Zusatzterms eingestellt wird, wobei der Störgrößenterm unter Verwendung eines Messwerts des Betrags der Eingabe der Spule und eines Messwerts des Betrags der Ausgabe der Spule abgeleitet wird, wobei der Zusatzterm unter Verwendung einer Variation des Stromsollwerts während dem einen Zyklus abgeleitet wird und hinzugefügt wird, um die relative Einschaltdauer in Abhängigkeit der Variation zu ändern; Einstellen der relativen Einschaltdauer unter Verwendung des Basisterms, in dem ein Rückkopplungsterm (FBc) zu dem Störgrößenterm (FFc) hinzugefügt wird, und des Zusatzterms (α/T), wobei der Rückkopplungsterm (FBc) unter Verwendung des Messwerts des Betrags der Ausgabe der Spule (61) und eines Sollwerts des Betrags der Ausgabe der Spule (61) abgeleitet wird, wobei der Sollwert in Abhängigkeit des Stromsollwerts eingestellt wird; wenn die Variation (ΔI) ein vordefinierter Grenzwert oder mehr ist, Einstellen der relativen Einschaltdauer unter Verwendung des Basisterms und des Zusatzterms (α/T), und wenn die Variation weniger als der vordefinierte Grenzwert ist, Einstellen der relativen Einschaltdauer ohne Verwendung des Zusatzterms (α/T).
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