DE102017109410B4

DE102017109410B4 - Brennstoffzellensystem und Steuerverfahren hierfür

Info

Publication number: DE102017109410B4
Application number: DE102017109410.5A
Authority: DE
Inventors: Akihiro Kamiya; Kenji Umayahara; Takao Watanabe; Tomoya Ogawa
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-05-12
Filing date: 2017-05-03
Publication date: 2023-03-02
Anticipated expiration: 2037-05-04
Also published as: US20170331138A1; CN107452972A; JP2017204407A; DE102017109410A1; US10128523B2; CN107452972B

Abstract

Brennstoffzellensystem (10), aufweisend:eine Brennstoffzelle (20);eine Sekundärbatterie (52); undeine elektronische Steuereinheit (60), umfassend:eine Aufzeichnungseinheit (61), die ausgestaltet ist, um einen Lade-Entlade-Verlauf der Sekundärbatterie (52) aufzuzeichnen,eine Vorhersageeinheit (62), die ausgestaltet ist, um basierend auf dem von der Aufzeichnungseinheit (61) aufgezeichneten Lade-Entlade-Verlauf eine Ausgabeleistungsbeschränkung der Sekundärbatterie (52) vorherzusagen, undeine Ausgabeleistungssteuereinheit (63), die ausgestaltet ist, um vor einem Zeitpunkt der Ausgabeleistungsbeschränkung der Sekundärbatterie (52) die Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle (20) zu starten, wenn die Vorhersageeinheit (62) die Ausgabeleistungsbeschränkung der Sekundärbatterie (52) vorhersagt und sich die Brennstoffzelle (20) in einem intermittierenden Betriebszustand befindet, wobeidie Vorhersageeinheit (62) die Ausgabeleistungsbeschränkung der Sekundärbatterie (52) vorhersagt, wenn eine Summe (ΣQ+ε) eines Indexwertes (ΣQ), der basierend auf dem von der Aufzeichnungseinheit (61) aufgezeichneten Lade-Entlade-Verlauf der Sekundärbatterie (52) berechnet wird, und eines Pufferwertes (ε), der basierend auf der von der Sekundärbatterie (52) zuzuführenden Leistung berechnet wird, einen vorgegebenen Grenzwert (ΣQLimit) übersteigt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem sowie ein Steuerverfahren hierfür.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Ein Brennstoffzellensystem, das mit einer Brennstoffzelle ausgestattet ist, die mit Reaktionsgasen (Brenngas und Oxidationsgas) versorgt wird, um Strom bzw. Leistung zu erzeugen, wurde vorgeschlagen und findet Verwendung in der Praxis. Die Brennstoffzelle ist ein Leistungs- bzw. Stromerzeugungssystem, das die als Ergebnis einer Oxidationsreaktion freigesetzte Energie direkt in elektrische Energie umwandelt, indem Brennstoff mittels eines elektrochemischen Prozesses oxidiert wird.
Ein Brennstoffzellensystem, wie es in der offengelegten japanischen Patentanmeldung 2014- 117 008 A beschrieben ist, hat eine Sekundärbatterie (eine Batterie), die als Speicherquelle für überschüssige Leistung, als Energiepuffer bei Lastschwankungen und dergleichen dient. Heutzutage gibt es Technologien, um eine Ausgabeleistung einer Brennstoffzelle und eine Ausgabeleistung der Sekundärbatterie zu bestimmen, um die von einem Nutzer oder Hilfsaggregaten benötigte Ausgabeleistung zu erfüllen. Aus der DE 10 2011 018 182 A1 ist ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellenstapel bekannt, das eine Sekundärbatterie und eine elektronische Steuereinheit aufweist, die den Lade-Entlade-Verlauf der Sekundärbatterie aufzeichnet, wobei die aufgezeichneten Informationen für die Vorhersage künftiger Leistungsbedürfnisse des Fahrzeugs verwendet werden. Zum Stand der Technik wird noch auf die CN 1 05 190 985 A , die DE 10 2013 223 925 B4 sowie die DE 10 2006 000 397 B4 verwiesen.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Die von der Sekundärbatterie ausgebbare Leistung wird grundsätzlich durch eine Batterietemperatur und die Restkapazität (den Ladezustand: SOC) bestimmt. Manchmal ist die ausgebbare Leistung jedoch derart beschränkt, dass ein Lade-Entlade-Index, der basierend auf einem Lade-Entlade-Verlauf aus der Vergangenheit berechnet wird, einen vorgegebenen Grenzwert nicht übersteigt. Bei der in der offengelegten japanischen Patentanmeldung JP 2014 - 117 008 A beschriebenen Technologie wird die Ausgabeleistungsbeschränkung aufgrund des vergangenen Lade-Entlade-Verlaufs der Sekundärbatterie nicht berücksichtigt. Somit kann es unmöglich sein, eine Ausgabeleistung bereitzustellen, welche die benötigte Ausgabeleistung erfüllt.
Die Erfindung hat zur Aufgabe, ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, das in der Lage ist, eine Ausgabeleistung bereitzustellen, die eine benötigte Ausgabeleistung erfüllt, selbst wenn aufgrund eines vergangenen Lade-Entlade-Verlaufs der Sekundärbatterie eine Ausgabeleistungsbeschränkung vorhergesagt wird.
Ein Brennstoffzellensystem gemäß einem Aspekt der Erfindung ist mit einer Brennstoffzelle und einer Sekundärbatterie ausgestattet. Dieses Brennstoffzellensystem ist mit einer Aufzeichnungseinheit ausgestattet, die einen Lade-Entlade-Verlauf der Sekundärbatterie aufzeichnet, einer Vorhersageeinheit, die basierend auf dem von der Aufzeichnungseinheit aufgezeichneten Lade-Entlade-Verlauf eine Ausgabeleistungsbeschränkung der Sekundärbatterie vorhersagt, und einer Ausgabeleistungssteuereinheit, die vor einem Zeitpunkt der Ausgabeleistungsbeschränkung der Sekundärbatterie die Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle startet, wenn die Vorhersageeinheit die Ausgabeleistungsbeschränkung der Sekundärbatterie vorhersagt und sich die Brennstoffzelle in einem intermittierenden Betriebszustand befindet.
Zudem ist ein Steuerverfahren gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ein Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem, das mit einer Brennstoffzelle und einer Sekundärbatterie ausgestattet ist. Dieses Steuerverfahren umfasst einen Ausgabeleistungssteuerungsprozess zum Starten der Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle vor einem Zeitpunkt einer Ausgabeleistungsbeschränkung der Sekundärbatterie, wenn die Ausgabeleistungsbeschränkung der Sekundärbatterie aufgrund eines Lade-Entlade-Verlaufs der Sekundärbatterie vorhergesagt wird und sich die Brennstoffzelle in einem intermittierenden Betriebszustand befindet.
Wenn diese Konfiguration sowie dieses Verfahren zur Anwendung kommen kann, wenn die Ausgabeleistungsbeschränkung der Sekundärbatterie aufgrund des Lade-Entlade-Verlaufs der Sekundärbatterie vorhergesagt wird, die Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle vor dem Zeitpunkt der Ausgabeleistungsbeschränkung der Sekundärbatterie gestartet werden. Somit kann verhindert werden, dass die bereitgestellte Ausgabeleistung unzureichend für die benötigte Ausgabeleistung wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem sagt die Vorhersageeinheit die Ausgabeleistungsbeschränkung der Sekundärbatterie vorher, wenn eine Summe eines Indexwertes, der basierend auf dem von der Aufzeichnungseinheit aufgezeichneten Lade-Entlade-Verlauf der Sekundärbatterie berechnet wird, und eines Pufferwertes, der basierend auf der von der Sekundärbatterie zuzuführenden Leistung berechnet wird, einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt.
Bei dem erfindungsgemäßen Steuerverfahren wird die Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle gestartet, wenn eine Summe eines Indexwertes, der basierend auf dem Lade-Entlade-Verlauf der Sekundärbatterie berechnet wird, und eines Pufferwertes, der basierend auf der von der Sekundärbatterie zuzuführenden Leistung berechnet wird, einen vorgegebenen Grenzwert übersteigt.
Wenn diese Konfiguration sowie dieses Verfahren zur Anwendung kommen kann, wenn die Summe des Indexwertes, der basierend auf dem Lade-Entlade-Verlauf der Sekundärbatterie berechnet wird, und des Pufferwertes, der basierend auf der von der Sekundärbatterie zuzuführenden Leistung berechnet wird, den vorgegebenen Grenzwert übersteigt, die Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle gestartet werden. Somit kann die Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle vor einen Zeitpunkt gestartet werden, zu dem der Indexwert, der basierend auf dem Lade-Entlade-Verlauf der Sekundärbatterie berechnet wird, den vorgegebenen Grenzwert übersteigt (ein Zeitpunkt der Ausgabeleistungsbeschränkung). Somit kann verhindert werden, dass die bereitgestellte Ausgabeleistung unzureichend für die benötigte Ausgabeleistung wird.
Bei dem Brennstoffzellensystem und Steuerverfahren der Erfindung kann ein Zeitintegralwert eines Ausgabestroms der Sekundärbatterie als der Indexwert verwendet werden, und ein Integralwert eines Stromes, der gemäß Vorhersage von einem Hilfsaggregat ab der Ausgabe einer Stromerzeugungsanweisung an die Brennstoffzelle zum Starten der Stromerzeugung der Brennstoffzelle verbraucht wird, kann als der Pufferwert verwendet werden.
Die Erfindung macht es möglich, ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, das in der Lage ist, eine Ausgabeleistung bereitzustellen, die eine benötigte Ausgabeleistung erfüllt, selbst wenn aufgrund eines vergangenen Lade-Entlade-Verlaufs der Sekundärbatterie eine Ausgabeleistungsbeschränkung vorhergesagt wird.
Figurenliste
Die Merkmale und Vorteile sowie die technische und wirtschaftliche Bedeutung einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen; hierbei zeigt:

1 eine Darstellung, die den Grundriss des Aufbaus eines Brennstoffzellensystems gemäß der Ausführungsform der Erfindung zeigt;
2 ein Blockschaubild, das den funktionalen Aufbau eines Controllers des Brennstoffzellensystems gemäß der Ausführungsform der Erfindung zeigt;
3A ein Zeitschaubild in einem Fall, bei dem ein Zeitpunkt, zu dem die Stromerzeugung durch eine Brennstoffzelle gestartet wird, und ein Zeitpunkt, zu dem die Ausgabeleistung einer Batterie aufgrund eines Lade-Entlade-Verlaufs der Batterie beschränkt ist, zusammenfallen, wobei ein Zeitverlauf einer Ausgabeleistung der Batterie dargestellt ist;
3B einen Zeitverlauf eines Indexwertes, der basierend auf dem Lade-Entlade-Verlauf der Batterie berechnet wird;
3C einen Zeitverlauf einer Ausgabeleistung der Brennstoffzelle;
4A ein Zeitschaubild zur Erläuterung eines Steuerverfahrens für das Brennstoffzellensystem gemäß der Ausführungsform der Erfindung, wobei der Zeitverlauf einer Ausgabeleistung der Batterie dargestellt ist;
4B einen Zeitverlauf eines Wertes, der durch Addieren eines Pufferwertes zum Indexwert erhalten wird, der basierend auf dem Lade-Entlade-Verlauf der Batterie berechnet wird;
4C einen Zeitverlauf einer Ausgabeleistung der Brennstoffzelle; und
5 ein Flussdiagramm zur Erläuterung des Steuerverfahrens für das Brennstoffzellensystem gemäß der Ausführungsform der Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORM
Nachfolgend wird die Ausführungsform der Erfindung bezugnehmend auf die jeweiligen Zeichnungen beschrieben. Hierbei basieren die Positionsbeziehungen wie oben, unten, links und rechts und dergleichen in den Zeichnungen sofern nicht anders angegeben auf den in den Zeichnungen dargestellten Positionsbeziehungen. Die Größenverhältnisse in den Zeichnungen sind nicht auf die in den Zeichnungen dargestellten Größenverhältnisse beschränkt. Überdies dient die nachfolgende Ausführungsform der Erfindung nur als Beispiel zum Erläutern der Erfindung. Es ist nicht beabsichtigt, die Erfindung auf diese Ausführungsform zu beschränken. Vielmehr kann die Erfindung auf verschiedene Art und Weiße ausgeführt werden, ohne von der Idee der Erfindung abzuweichen.
Zunächst wird der Aufbau eines Brennstoffzellensystems 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung bezugnehmend auf 1 beschrieben. Das Brennstoffzellensystem 10 dient als Fahrzeugstromversorgungssystem, das beispielsweise in einem mit Brennstoffzellen betriebenen Fahrzeug als beweglichem Körper montiert ist. Das Brennstoffzellensystem 10 ist mit einer Brennstoffzelle 20 ausgestattet, die mit Reaktionsgasen (Brenngas und Oxidationsgas) versorgt wird, um Strom bzw. Leistung zu erzeugen, einem Oxidationsgaszufuhrsystem 30, zum Zuführen von Luft als Oxidationsgas zur Brennstoffzelle 20, einem Brenngaszufuhrsystem 40 zum Zuführen von Wasserstoffgas als Brenngas zur Brennstoffzelle 20, einem Leistungssystem 50 zum Steuern des Ladens/Entladens von Leistung, und einem Controller 60, der das gesamte System umfassend steuert. Der Controller 60 der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung ist ein Beispiel der elektronischen Steuereinheit.
Die Brennstoffzelle 20 ist ein Festpolymerelektrolytbrennstoffzellenstapel (EN: solid polyelectrolyte-type cell stack), der durch Stapeln einer großen Anzahl von Zellen in Reihe gebildet wird. Eine durch Formel (1) dargestellte Oxidationsreaktion tritt an der Anodenelektrode der Brennstoffzelle 20 auf, eine durch Formel (2) dargestellte Reduktionsreaktion tritt an der Kathodenelektrode der Brennstoffzelle 20 auf, und eine durch Formel (3) dargestellte stromerzeugende Reaktion tritt in der Brennstoffzelle 20 als Ganzes auf. H₂ → 2H⁺+ 2e (1) (½)O₂+ 2H⁺ + 2e^- → H₂O (2) H₂ + (½)O₂ → H₂O (3)
Eine jede der Zellen, die die Brennstoffzelle 20 bildet, besteht aus einer Polymerelektrolytmembran (EN: polyelectrolyte membrane), einer Anodenelektrode, einer Kathodenelektrode und Separatoren. Die Anodenelektrode und die Kathodenelektrode nehmen die Polymerelektrolytmembran von beiden Seiten zwischen sich auf, um eine Sandwichstruktur zu bilden. Die Separatoren bestehen aus leitfähigen Elementen, die gasundurchlässig sind, und bilden jeweils einen Brenngasströmungskanal sowie einen Oxidationsgasströmungskanal zwischen der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode, während sie die Anodenelektrode und die Kathodenelektrode von beiden Seiten sandwichartig umfassen.
Jede von der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode hat eine Katalysatorschicht sowie eine Gasdiffusionsschickt. Die Katalysatorschicht hat einen Katalysator tragenden Kohlenstoff, der Edelmetallpartikel trägt, die als Katalysator fungieren und beispielsweise aus Platinmaterialien bestehen, sowie einen Polymerelektrolyt. Beispielsweise können Metallkatalysatoren (Pt, Pt-Fe, Pt-Cr, Pt-Ni, Pt-Ru und dergleichen) als die Platinmaterialien der Edelmetallpartikel verwendet werden. Ruß kann beispielsweise als der Katalysator tragende Kohlenstoff verwendet werden. Ein Protonen leitendes Ionenaustauschharz oder dergleichen kann als Polymerelektrolyt verwendet werden. Die Gasdiffusionsschicht ist auf einer Fläche der Katalysatorschicht ausgebildet, ist luftdurchlässig und elektronenleitend, und besteht aus Kohlenstofffilz, Kohlenstoffpapier oder Kohlenstoffgewebe, das aus Kohlenstofffaserfäden gewoben ist.
Die Polymerelektrolytmembran ist eine protonenleitende Ionenaustauschmembran, die aus einem Festpolymermaterial, beispielsweise Fluorharz, besteht und zeigt eine gute elektrische Leitfähigkeit im nassen Zustand. Die Polymerelektrolytmembran, die Anodenelektrode und die Kathodenelektrode bilden eine Membranelektrodenanordnung.
Wie in 1 gezeigt ist, sind ein Spannungssensor 71 zum Erfassen einer Ausgangsspannung (einer FC-Spannung) der Brennstoffzelle 20 sowie ein Stromsensor 72 zum Erfassen eines Ausgangsstroms (eines FC-Stroms) an der Brennstoffzelle 20 angebracht.
Das Oxidationsgaszufuhrsystem 30 hat eine Oxidationsgasleitung 33, durch welche Gasoxidationsgas, das der Kathodenelektrode der Brennstoffzelle 20 zugeführt wird, strömt, sowie eine Oxidationsabgasleitung 34, durch welche das aus der Brennstoffzelle 20 ausgetragene Oxidationsabgas strömt. Die Oxidationsgasleitung 33 hat einen Luftkompressor 32, der Oxidationsgas aus der Umgebung über einen Filter 31 ansaugt, sowie ein Sperrventil A1 zum Unterbrechen der Zufuhr von Oxidationsgas zur Brennstoffzelle 20. Die Oxidationsabgasleitung 34 hat ein Sperrventil A2 zum Unterbrechen der Austragung von Oxidationsabgas aus der Brennstoffzelle 20 sowie ein Gegendruckeinstellventil A3 zum Einstellen eines Oxidationsgasversorgungsdrucks.
Das Brenngaszufuhrsystem 40 hat eine Brenngaszufuhrquelle 41, eine Brenngasleitung 43, durch welche das von der Brenngaszufuhrquelle 41 der Anodenelektrode der Brennstoffzelle 20 zugeführte Brenngas strömt, eine Zirkulationsleitung 44 zum Zurückführen des aus der Brennstoffzelle 20 ausgetragenen Brenngasabgases zur Brenngasleitung 43, eine Umwälzpumpe 45, welche das Brenngasabgas in der Zirkulationsleitung 44 der Brenngasleitung 43 zwangszuführt, sowie eine Abgasauslassleitung 46, die abzweigend mit der Zirkulationsleitung 44 verbunden ist.
Die Brenngaszufuhrquelle 41 besteht beispielsweise aus einem Hochdruckwasserstofftank, einer Wasserstoff speichernden Legierung oder dergleichen und speichert Wasserstoffgas unter hohem Druck (z. B. 35 bis 70 MPa). Wenn ein Sperrventil H1 geöffnet wird, fließt Brenngas von der Brenngaszufuhrquelle 41 in die Brenngasleitung 43. Das Brenngas wird durch einen Regler H2 oder einen Injektor 42 auf beispielsweise etwa 200 kPa entspannt, und der Brennstoffzelle 20 zugeführt.
Die Abgasauslassleitung 46, die von der Zirkulationsleitung 44 abzweigt, ist mit der Zirkulationsleitung 44 verbunden. Ein Abgasauslassventil H3 ist in der Abgasauslassleitung 46 angeordnet. Das Abgasauslassventil H3 arbeitet entsprechend einer Anweisung vom Controller 60, wodurch Feuchtigkeit und Brennstoffabgas mit Verunreinigungen aus der Zirkulationsleitung 44 nach Außen ausgetragen werden.
Das über das Abgasauslassventil H3 ausgetragene Brenngasabgas wird mit dem Oxidationsabgas, das durch die Oxidationsabgasleitung 34 strömt, vermischt, und durch einen (nicht dargestellten) Verdünner verdünnt. Durch das Antreiben eines Motors liefert die Umwälzpumpe 45 das Brenngasabgas in einem Zirkulationssystems zirkulierend zur Brennstoffzelle 20.
Das Leistungssystem 50 hat einen Gleichstromwandler 51, eine Batterie 52, einen Traktionswechselrichter 53, einen Traktionsmotor 54, sowie Hilfsaggregate 55. Der Gleichstromwandler 51 hat eine Funktion zum Verstärken einer Gleichstromspannung, die von der Batterie 52 zugeführt wird, und Ausgeben der verstärkten Gleichstromspannung an den Traktionswechselrichter 53, sowie eine Funktion zum Senken einer Gleichstromleistung, die von der Brennstoffzelle 20 erzeugt wird, oder einer regenerativen Leistung, die vom Traktionsmotor 54 aufgrund eines regenerativen Bremsvorgangs zurückgewonnen wird, und Laden der Batterie 52 mit derselben.
Die Batterie 52 ist äquivalent zur Sekundärbatterie der Erfindung und dient als Speicherquelle für überschüssige Leistung, als Speicherquelle für regenerative Energie zum Zeitpunkt des regenerativen Bremsens, und als Energiepuffer während der Zeit von Lastschwankungen, die einhergehen mit dem Beschleunigen oder Verzögern des mit Brennstoffzellen betriebenen Fahrzeugs oder dergleichen. Beispielsweise kann eine Nickel-Cadmium-Speicherbatterie, eine Nickel-Wasserstoff-Speicherbatterie, eine Lithiumsekundärbatterie oder dergleichen als Batterie 52 verwendet werden. Ein SOC-Sensor 73 zum Erfassen eines Ladezustands (eines SOC) als Restkapazität der Batterie 52 ist an der Batterie 52 angebracht.
Der Traktionswechselrichter 53 ist ein PWM-Wechselrichter, der beispielsweise durch ein Pulsweitenmodulationsverfahren angesteuert wird. Der Traktionswechselrichter 53 wandelt Gleichstromspannung, die von der Brennstoffzelle 20 oder der Batterie 52 ausgegeben wird, entsprechend einer Steueranweisung vom Controller 60 in eine Drei-Phasen-Wechselstromspannung, und steuert das Drehmoment des Traktionsmotors 54. Der Traktionsmotor 54 ist beispielsweise ein Drei-Phasen-Wechselstrommotor und bildet die Antriebsleistungsquelle für das mit Brennstoffzellen betriebene Fahrzeug.
Der Begriff „Hilfsaggregate“ 55 bezeichnet allgemein die jeweilige Motoren, die in den jeweiligen Abschnitten des Brennstoffzellensystems 10 angeordnet sind, Wechselrichter zum Ansteuern dieser Motoren sowie verschiedene fahrzeuggestützte Hilfsaggregate (z. B. den Luftkompressor 32, den Injektor 42, die Umwälzpumpe 45, einen Radiator, eine Kühlmittelzirkulationspumpe und dergleichen).
Der Controller 60 ist ein Computersystem, das mit einer CPU, einem ROM, einem RAM, sowie Eingabe-/Ausgabeschnittstellen ausgestaltet ist, und steuert die jeweiligen Abschnitte des Brennstoffzellensystems 10. Nach Erhalt eines Aktivierungssignals IG, das von einem Zündschalter ausgegeben wird, startet der Controller 60 beispielsweise den Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 und bestimmt eine benötigte Leistung des gesamten Systems basierend auf einem Beschleunigerniederdrücksignal ACC, das von einem Beschleunigersensor ausgegeben wird, einem Fahrzeuggeschwindigkeitssignal VC, das von einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor ausgegeben wird, und dergleichen. Die benötigte Leistung des gesamten Systems ist die Summe der Leistung zum Fahren des Fahrzeugs und der Leistung für die Hilfsaggregate.
Die Leistung für die Hilfsaggregate umfasst eine Leistung, die von den fahrzeugbasierten Hilfsaggregaten (dem Luftkompressor 32, der Umwälzpumpe 45, der Kühlmittelzirkulationspumpe und dergleichen) verbraucht wird, eine Leistung, die von Vorrichtungen verbraucht wird, die für das Fahren des Fahrzeugs benötigt werden (ein Getriebe, eine Radsteuervorrichtung, eine Lenkvorrichtung, eine Aufhängung und dergleichen), eine Leistung, die von Vorrichtungen verbraucht wird, die in einem Fahrgastraum angeordnet sind (eine Klimaanlage, eine Beleuchtung, Audioequipment und dergleichen) und dergleichen.
Der Controller 60 bestimmt die Verteilung der von der Brennstoffzelle 20 und der Batterie 52 ausgegebenen Leistung, und steuert das Oxidationsgaszufuhrsystem 30 und das Brenngaszufuhrsystem 40 derart, dass die Leistungserzeugungsmenge der Brennstoffzelle 20 mit einer Sollleistung übereinstimmt. Darüber hinaus steuert der Controller 60 den Gleichstromwandler 51 und stellt die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 20 ein, um einen Betriebspunkt (Ausgangsspannung und Ausgangsstrom) der Brennstoffzelle 20 zu steuern.
Während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 10 wandern in der Brennstoffzelle 20 an der Anodenelektrode erzeugte Wasserstoffionen durch die Elektrolytmembran und bewegen sich zur Kathodenelektrode, wie durch die vorstehend genannte Formel (1) dargestellt ist, und die zur Kathodenelektrode gewanderten Wasserstoffionen verursachen eine elektrochemische Reaktion mit Sauerstoff im Oxidationsgas, das der Kathodenelektrode zugeführt wird, verursachen eine Reduktionsreaktion von Sauerstoff und erzeugen Wasser, wie durch die vorstehend genannte Formel (2) dargestellt ist.
Wie in 2 ferner gezeigt ist, hat der Controller 60 zusätzlich eine Aufzeichnungseinheit 61, die einen Lade-Entlade-Verlauf der Batterie 52 aufzeichnet, eine Vorhersageeinheit 62, welche eine Ausgabeleistungsbeschränkung der Batterie 52 basierend auf dem Lade-Entlade-Verlauf, der von der Aufzeichnungseinheit 61 aufgezeichnet wurde, vorhersagt, sowie eine Ausgabeleistungssteuereinheit 63, welche die Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle 20 vor einem Zeitpunkt der Ausgabeleistungsbeschränkung der Batterie 52 startet, wenn die Vorhersageeinheit 62 die Ausgabeleistungsbeschränkung der Batterie 52 vorhersagt und sich die Brennstoffzelle 20 in einem intermittierenden Betriebszustand befindet.
Die Vorhersageeinheit 62 der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung sagt die Ausgabeleistungsbeschränkung der Batterie 52 voraus, wenn die Summe (ΣQ+ε) eines Indexwerts (nachfolgend als „Lade-/Entladeindexwert“ bezeichnet) ΣQ, der basierend auf dem durch die Aufzeichnungseinheit 61 aufgezeichneten Lade-Entlade-Verlauf der Batterie 52 berechnet wird, und eines Pufferwerts ε, der basierend auf einer von der Batterie 52 zuzuführenden Leistung berechnet wird, einen vorgegebenen Grenzwert ΣQ Limit übersteigt. Die Ausgabeleistungssteuereinheit 63 startet die Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle 20, wenn diese Vorhersage getroffen wird und sich die Brennstoffzelle 20 in einem intermittierenden Betriebszustand befindet. In der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung wird ein Zeitintegralwert eines Ausgabestroms der Batterie 52 als der Lade-/Entladeindexwert ΣQ verwendet, und ein Integralwert eines Stroms, der gemäß Vorhersage von Hilfsaggregaten wie dem Luftkompressor 32 und dergleichen ab der Ausgabe einer Stromerzeugungsanweisung an die Brennstoffzelle 20 zum Starten der Stromerzeugung der Brennstoffzelle 20 verbraucht wird, wird als Pufferwert ε verwendet.
Der Vorgang zur Ausgabeleistungsteuerung des Brennstoffzellensystems 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend unter Verwendung der Zeitschaubilder aus den 3A, 3B und 3C sowie der 4A, 4B und 4C beschrieben.
Die 3A, 3B und 3C zeigen Zeitschaubilder in einem Fall, bei welchem ein Zeitpunkt, zu dem die Stromerzeugung der Brennstoffzelle 20 gestartet wird, und ein Zeitpunkt, wenn die Ausgabeleistung der Batterie 52 aufgrund des Lade-Entlade-Verlaufs der Batterie 52 beschränkt ist, zusammenfallen. Genauer gesagt zeigt 3A ein Zeitschaubild, das den Zeitverlauf einer Ausgabeleistung BAT_Pow der Batterie 52 zeigt. 3B zeigt ein Zeitschaubild, das den Zeitverlauf des Lade-/Entladeindexwerts ΣQ zeigt. 3C ist ein Zeitschaubild, das den Zeitverlauf einer Ausgabeleistung FC_Pow der Brennstoffzelle 20 zeigt.
Beim Start der Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle 20 muss, wenn eine die Abgabekapazität der Batterie 52 überschreitende Leistungsanforderung vorliegt, der Luftkompressor 32 mit Leistung versorgt und angetrieben werden (ACP Pow), bevor die Stromerzeugung startet, wie in 3C gezeigt ist. In diesem Fall wird, wie in 3A gezeigt ist, die Leistung BAT_Pow der Batterie 52 dem Luftkompressor 32 zugeführt. Wenn jedoch der Lade-/Entladeindexwert ΣQ den vorgegebenen Grenzwert ΣQ_Limit übersteigt, wie in 3B gezeigt ist, nimmt exakt zu diesem Zeitpunkt eine abgebbare Leistung W_OUT der Batterie 52 ab und es kommt zu einer Beschränkung L der Ausgabeleistung der Batterie 52, wie in 3A gezeigt ist, so dass die Leistung BAT_Pow,die dem Luftkompressor 32 von der Batterie 52 zugeführt wird, nicht ausreicht. Daher kann die Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle 20 verzögert oder unzureichend werden.
Als Ergebnis kann in einigen Fällen keine Leistung erzielt werden, welche die Leistungsanforderung erfüllt.
Die Erfindung löst dieses Problem. Die 4A, 4B und 4C zeigen Zeitschaubilder zum Erläutern eines Steuerverfahrens des Brennstoffzellensystems 10 der Ausführungsform der Erfindung. Genauer gesagt zeigt 4A ein Zeitschaubild, dass den Zeitverlauf der Ausgabeleistung BAT_Pow der Batterie 52 der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung zeigt. 4B zeigt ein Zeitschaubild, das den Zeitverlauf eines Werts zeigt, der durch Addieren des Pufferwerts ε zum Lade-/Entladeindexwert ΣQ erhalten wird. 4C zeigt ein Zeitschaubild, das den Zeitverlauf der Ausgabeleistung FC_Pow der Brennstoffzelle 20 der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Wie in den 4B und 4C gezeigt ist, sagt die Vorhersageeinheit 62 des Controllers 60 der vorliegende Ausführungsform der Erfindung eine Ausgabeleistungsbeschränkung der Batterie 52 voraus, wenn die Summe des Lade-/Entladeindexwerts ΣQ und des Pufferwerts ε den vorgegebenen Grenzwert ΣQLimit übersteigt. Wenn die Vorhersageeinheit 62 diese Vorhersage trifft, und sich die Brennstoffzelle 20 in einem intermittierenden Betriebszustand befindet, führt die Ausgabeleistungssteuereinheit 63 des Controllers 60 die Leistung BAT_Pow von der Batterie 52 zum Antreiben des Luftkompressors 32 zu, und startet die Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle 20. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung kann somit die Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle 20 vor dem Zeitpunkt gestartet werden, wenn der Lade-/Entladeindexwert ΣQ den vorgegebenen Grenzwert ΣQ Limit übersteigt (wenn die Ausgabeleistung der Batterie 52 aufgrund einer Abnahme der ausgebbaren Leistung W_OUT derselben beschränkt ist), sodass eine der Leistungsanforderung entsprechende Leistung ausgegeben werden kann.
Wenn das Laden der Batterie 52 mit der Ausgabeleistung FC_Pow der Brennstoffzelle 20 über eine Ladekapazität in der Batterie 52 hinaus anhält (4A), stoppt die Ausgabeleistungssteuereinheit 63 des Controllers 60 bei der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung die Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle 20 (siehe 4C). Genauer gesagt stoppt die Ausgabeleistungssteuereinheit 63 die Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle 20, wenn die Summe des Lade-/Entladeindexwerts ΣQ, der aufgrund des Fortschreitens des Ladens der Batterie 52 abgenommen hat, und des Pufferwerts ε gleich oder kleiner als ein Wert wird, der durch Subtrahieren eines konstanten Werts His vom vorgegebenen Grenzwert ΣQ Limit (ΣQ_Limit-His: siehe 4B) erhalten wird. Der konstante Wert His ist auf einen geeigneten Wert eingestellt, sodass die Wiederholung der Start- und Stoppvorgänge der Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle 20 nicht häufig auftritt. Es ist überdies auch möglich, die Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle 20 zu unterdrücken, oder überschüssige Leistung durch die Hilfsaggregate zu verbrauchen, wenn das Laden der Batterie 52 über die Ladekapazität W_IN derselben hinaus anhält.
Nachfolgend wird das Steuerverfahren für das Brennstoffzellensystem 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm aus 5 beschrieben.
Der Controller 60 des Brennstoffzellensystems 10 führt einen „intermittierenden Betrieb“ aus (ein intermittierender Betriebsleistungsprozess: Sl). Der intermittierende Betrieb ist als ein Betrieb definiert, in welchem die Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle 20 vorübergehend gestoppt wird, wenn bestimmt wird, dass die Leistung (Leistungsanforderung), die von der Brennstoffzelle 20 benötigt wird, gering ist, und dass die Leistung, welche die Leistungsanforderung erfüllt, nur durch die Ausgabeleistung von der Batterie 52 erfüllt werden kann.
Der Controller 60 bestimmt, ob die Summe des Lade-/Entladeindexwerts ΣQ und des Pufferwerts ε den vorgegebenen Grenzwert ΣQLimit übersteigt (FC Stromerzeugungsbestimmungsprozess: S2), während der intermittierende Betrieb ausgeführt wird. Wenn die Summe den Grenzwert ΣQ_Limit übersteigt, führt der Controller 60 Leistung BAT_Pow von der Batterie 52 zu, um den Luftkompressor 32 anzutreiben, und startet die Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle 20 (FC Stromerzeugungsprozess: S3). Wenn dagegen im FC Stromerzeugungsbestimmungsprozess S2 bestimmt wird, dass die Summe des Lade-/Entladeindexwerts ΣQ und des Pufferwerts ε gleich oder kleiner als der vorgegebene Grenzwert ΣQ Limit ist, hält der Controller den intermittierenden Betrieb aufrecht.
Nach Durchlaufen des FC Stromerzeugungsprozesses S3 bestimmt der Controller 60, ob die Summe des Lade-/Entladeindexwerts ΣQ und des Pufferwerts ε gleich oder kleiner als der Wert (ΣQ_Limit-His) ist, der durch Subtrahieren des konstanten Werts His vom vorgegebenen Grenzwert ΣQ Limit erhalten wird (Zwischenbestimmungsprozess: S4). Wenn die Summe gleich oder kleiner als ΣQ Limit ist, stoppt der Controller 60 vorübergehend die Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle 20 (intermittierender Betriebsleistungsprozess: S5). Wenn dagegen im Zwischenbestimmungsprozess S4 bestimmt wird, dass die Summe des Lade-/Entladeindexwerts ΣQ und des Pufferwerts ε größer als ΣQ_Limit-His ist, hält der Controller 60 die Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle 20 aufrecht.
Bei dem Brennstoffzellensystem 10 der Ausführungsform der Erfindung kann, wie vorstehend beschrieben ist, wenn eine Ausgabeleistungsbeschränkung der Batterie 52 aufgrund der Lade-Entlade-Verlaufs der Batterie 52 vorhergesagt wird, die Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle 20 vor dem Zeitpunkt der Ausgabeleistungsbeschränkung der Batterie 52 gestartet werden. Insbesondere kann bei dem vorliegenden Brennstoffzellensystem 10 die Stromerzeugung der Brennstoffzelle 20 gestartet werden, wenn die Summe des Indexwerts (Lade-/Entladeindexwert) ΣQ, der basierend auf dem Lade-Entlade-Verlauf der Batterie 52 berechnet wird, und des Pufferwerts ε, der basierend auf der von der Batterie 52 zuzuführenden Leistung berechnet wird, den vorgegebenen Grenzwert ΣQ Limit übersteigt. Somit kann die Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle 20 vor dem Zeitpunkt gestartet werden, wenn der Lade-/Entladeindexwert ΣQ den vorgegebenen Grenzwert ΣQ Limit übersteigt (dem Zeitpunkt der Ausgabeleistungsbeschränkung). Daher kann verhindert werden, dass die verfügbare Ausgabeleistung unzureichend für die benötigte Leistung wird.
Darüber hinaus wird bei der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung der Zeitintegralwert des Ausgabestroms der Batterie 52 als der Lade-/Entladeindexwert ΣQ verwendet, und der Integralwert des Stroms, der gemäß Vorhersage von den Hilfsaggregaten wie dem Luftkompressor 32 und dergleichen ab der Ausgabe einer Stromerzeugungsanweisung an die Brennstoffzelle 20 zum Starten der Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle 20 verbraucht wird, wird als Pufferwert ε verwendet. Jedoch können auch andere physikalische Größen als Lade-/Entladeindexwert ΣQ und Pufferwert ε verwendet werden. Beispielsweise kann ein Wert, der von der Temperatur von der Batterie 52 abhängt (der zunimmt, wenn die Temperatur der Batterie 52 abnimmt), als Pufferwert ε verwendet werden.
Darüber hinaus ist in der vorliegenden Ausführungsform der Erfindung beispielhaft beschrieben, dass die Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle 20 gestartet wird, wenn die Summe des Lade-/Entladeindexwerts ΣQ und des Pufferwerts ε den vorgegebenen Grenzwert ΣQLimit übersteigt. Ein neuer Grenzwert ΣQ limit` der durch Subtrahieren eines konstanten Werts (z.B. ε) vom vorgegebenen Grenzwert ΣQ limit erhalten wird, kann jedoch ebenso eingestellt werden, und die Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle 20 kann gestartet werden, wenn der Lade-/Entladeindexwert ΣQ diesen neuen Grenzwert ΣQ limit' übersteigt.
Ferner wurde vorstehend das „mit Brennstoffzellen betriebene Fahrzeug“, das als der bewegliche Körper dient, beispielhaft als die Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Gleichwohl können verschiedene bewegliche Körper anstelle des mit Brennstoffzellen betriebenen Fahrzeugs (Roboter, Schiffe, Flugzeuge und dergleichen) mit dem Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung ausgestattet werden.

Claims

Brennstoffzellensystem (10), aufweisend: eine Brennstoffzelle (20); eine Sekundärbatterie (52); und eine elektronische Steuereinheit (60), umfassend: eine Aufzeichnungseinheit (61), die ausgestaltet ist, um einen Lade-Entlade-Verlauf der Sekundärbatterie (52) aufzuzeichnen, eine Vorhersageeinheit (62), die ausgestaltet ist, um basierend auf dem von der Aufzeichnungseinheit (61) aufgezeichneten Lade-Entlade-Verlauf eine Ausgabeleistungsbeschränkung der Sekundärbatterie (52) vorherzusagen, und eine Ausgabeleistungssteuereinheit (63), die ausgestaltet ist, um vor einem Zeitpunkt der Ausgabeleistungsbeschränkung der Sekundärbatterie (52) die Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle (20) zu starten, wenn die Vorhersageeinheit (62) die Ausgabeleistungsbeschränkung der Sekundärbatterie (52) vorhersagt und sich die Brennstoffzelle (20) in einem intermittierenden Betriebszustand befindet, wobei die Vorhersageeinheit (62) die Ausgabeleistungsbeschränkung der Sekundärbatterie (52) vorhersagt, wenn eine Summe (ΣQ+ε) eines Indexwertes (ΣQ), der basierend auf dem von der Aufzeichnungseinheit (61) aufgezeichneten Lade-Entlade-Verlauf der Sekundärbatterie (52) berechnet wird, und eines Pufferwertes (ε), der basierend auf der von der Sekundärbatterie (52) zuzuführenden Leistung berechnet wird, einen vorgegebenen Grenzwert (ΣQLimit) übersteigt.
Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, wobei der Indexwert (ΣQ) ein Zeitintegralwert eines Ausgabestroms der Sekundärbatterie (52) ist, und der Pufferwert (ε) ein Integralwert eines Stromes ist, der gemäß Vorhersage von einem Hilfsaggregat (55) ab der Ausgabe einer Stromerzeugungsanweisung an die Brennstoffzelle (20) zum Starten der Stromerzeugung der Brennstoffzelle (20) verbraucht wird.
Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem (10), das mit einer Brennstoffzelle (20), einer Sekundärbatterie (52) und einer elektronischen Steuereinheit (60) ausgestattet ist, wobei das Steuerverfahren aufweist: Ausführen einer Ausgabeleistungssteuerung durch die elektronische Steuereinheit (60) zum Starten der Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle (20) vor einem Zeitpunkt einer Ausgabeleistungsbeschränkung der Sekundärbatterie (52), wenn die Ausgabeleistungsbeschränkung der Sekundärbatterie (52) aufgrund eines Lade-Entlade-Verlaufs der Sekundärbatterie (52) vorhergesagt wird und sich die Brennstoffzelle (20) in einem intermittierenden Betriebszustand befindet, wobei bei der Ausgabeleistungssteuerung die Stromerzeugung durch die Brennstoffzelle (20) durch die elektronische Steuereinheit (60) gestartet wird, wenn eine Summe (ΣQ+ε) eines Indexwertes (ΣQ), der basierend auf dem Lade-Entlade-Verlauf der Sekundärbatterie (52) berechnet wird, und eines Pufferwertes (ε), der basierend auf der von der Sekundärbatterie (52) zuzuführenden Leistung berechnet wird, einen vorgegebenen Grenzwert (ΣQLimit) übersteigt.
Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 3, wobei der Indexwert (ΣQ) ein Zeitintegralwert eines Ausgabestroms der Sekundärbatterie (52) ist, und der Pufferwert (ε) ein Integralwert eines Stromes ist, der gemäß Vorhersage von einem Hilfsaggregat (55) ab der Ausgabe einer Stromerzeugungsanweisung an die Brennstoffzelle (20) zum Starten der Stromerzeugung der Brennstoffzelle (20) verbraucht wird.