DE102017211899A1 - Verfahren und System zum Steuern der Energieversorgung in einem Brennstoffzellenfahrzeug - Google Patents

Verfahren und System zum Steuern der Energieversorgung in einem Brennstoffzellenfahrzeug Download PDF

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Sung Ho Yang
Jae Young Shim
Kang Sik JEON
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Kia Motors Corp
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Abstract

Ein Verfahren zum Steuern der Energieversorgung in einem Brennstoffzellenfahrzeug enthält das Speichern eines Ausgangsstroms einer Brennstoffzelle als eines vorbegrenzten Stroms, wenn ein Zellenspannungsverhältnis ein minimales Zellenspannungsverhältnis erreicht, das Einstellen eines begrenzten Ausgangsstroms der Brennstoffzelle als des vorbegrenzten Stroms, wenn das Zellenspannungsverhältnis ein kritisches Zellenspannungsverhältnis erreicht, das Parallelschalten einer ersten und einer zweiten Hochvolt-Batterien zu einem Haupt-Busanschluss, wenn das Zellenspannungsverhältnis das kritische Zellenspannungsverhältnis erreicht, und die Ausgabe eines zusätzlichen Stroms aus der zweiten Hochvolt-Batterie aufgrund eines ungenügenden Ausgangsstroms der Brennstoffzelle für den vorbegrenzten Strom, und ein System zur Ausführung des Verfahrens.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Verfahren und ein System zum Steuern der Energieversorgung in einem Brennstoffzellenfahrzeug, mit denen die Dauerhaftigkeit einer Brennstoffzelle verbessert und ein effektives Management einer Hochvolt-Batterie ermöglicht werden können, indem ein abnormales Verhalten eines Fahrzeugs verhindert und ein Abfall der Zellenspannung vorausgesagt wird, und mit denen die Brennstoffzelle durch eine Stromgrenze bei einem Abfall der Brennstoffzellenspannung geschützt wird.
  • HINTERGRUND
  • Ein Brennstoffzellenstapel besteht aus hunderten von Zelleneinheiten, und für jeden von hunderten von Kanälen, die jeweils durch Bündeln von zwei bis vier Zellen gebildet werden, wird eine durchschnittliche Zellenspannung von einem Gerät im Fahrzeug erfasst. Dieses Gerät wird als SVM (Stapelspannungs-Monitor) bezeichnet und spielt eine wichtige Rolle bei der Überwachung der Leistung jeder einzelnen Zelle des Brennstoffzellenstapels.
  • Wenn die durchschnittliche Zellenspannung eines spezifischen Kanals (gebildet durch Bündeln von vier Zellen) niedriger als normal ist, (wenn ein Zellenleck auftritt), besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass die Spannung einer Zelle in der Praxis abfällt, weil ihr aufgrund einer Zustandsverschlechterung oder Fluten des Stapels nicht ausreichend Gas zugeführt wird. In diesem Fall wird die Zelle durch eine Gegenspannung stark beschädigt, die durch ständiges Entziehen von Strom aus der Zelle entsteht, was in einer schnellen Zustandsverschlechterung der Zelle resultiert. Um dies zu vermeiden, steuert eine Brennstoffzellen-Steuereinheit (FCU) die Zelle durch Begrenzen des Stroms, so dass ein Folgeschaden der Zelle verhindert wird.
  • Das Zellenleck wird jedoch oft durch die Strombegrenzung der FCU nicht verhindert, da das Zellenleck schnell auftritt. In diesem Fall kann das Zellenleck zu einem Zeitpunkt auftreten, der dem der maximalen Stromgrenze entgegengesetzt ist. Aus diesem Grund kann die Stromgrenze während des Zellenlecks nicht aktiviert werden, sondern nur dann, wenn kein Zellenleck vorliegt. Wenn sich eine derartige Situation wiederholt, kann das Fahrzeug ein abnormales Verhalten wie Schlingern aufweisen.
  • Demzufolge ist ein Steuerungsverfahren erforderlich, um abnormales Verhalten eines Fahrzeugs durch Erfassen eines sich abzeichnenden Zellenlecks und durch Aktivieren einer entsprechenden Stromgrenze zu einem geeigneten Zeitpunkt zu verhindern.
  • Die obigen Ausführungen dienen nur dem besseren Verständnis des Hintergrunds der vorliegenden Offenbarung und sind nicht dahingehend auszulegen, dass die vorliegende Offenbarung in dem dem Fachmann bekannten Stand der Technik enthalten ist.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Die vorliegende Offenbarung ist angesichts der obigen Probleme im Stand der Technik erarbeitet worden und schlägt ein Verfahren und ein System zum Steuern der Energieversorgung in einem Brennstoffzellenfahrzeug vor, mit denen die Dauerhaftigkeit einer Brennstoffzelle verbessert und ein effektives Management einer Hochvolt-Batterie effektiv ermöglicht werden können, indem ein abnormales Verhalten eines Fahrzeugs verhindert und ein Abfall der Zellenspannung vorausgesagt wird, und mit denen die Brennstoffzelle durch eine Stromgrenze bei einem Spannungsabfall der Brennstoffzelle geschützt wird.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung enthält ein Verfahren zum Steuern der Energieversorgung in einem Brennstoffzellenfahrzeug die Schritte: Speichern eines Ausgangsstroms einer Brennstoffzelle als vorbegrenzter Strom, wenn ein Zellenspannungsverhältnis, das durch Dividieren einer minimalen Zellenspannung durch eine durchschnittliche Zellenspannung erhalten wird, ein minimales Zellenspannungsverhältnis erreicht, Überwachen des Zellenspannungsverhältnisses, Einstellen eines begrenzten Ausgangsstroms Brennstoffzelle als des vorbegrenzten Stroms, wenn das Zellenspannungsverhältnis ein kritisches Zellenspannungsverhältnis erreicht, Parallelschalten der ersten und zweiten Hochvolt-Batterie mit einem Haupt-Busanschluss, wenn das Zellenspannungsverhältnis das kritische Zellenspannungsverhältnis erreicht, und Ausgeben eines zusätzlichen Stroms von der zweiten Hochvolt-Batterie aufgrund eines ungenügenden Ausgangsstroms der Brennstoffzelle für den vorbegrenzten Strom, wenn der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle einen vorgegebenen Bereich des begrenzten Ausgangsstroms erreicht, der als der vorbegrenzte Strom eingestellt ist.
  • Das minimale Zellenspannungsverhältnis kann ein Mindestwert sein, bei dem keine Gegenspannung erzeugt wird, wenn in der Brennstoffzelle ein Ausgangsstrom erzeugt wird.
  • Das kritische Zellenspannungsverhältnis kann höher sein als das minimale Zellenspannungsverhältnis.
  • Wenn das Zellenspannungsverhältnis im Schritt zum Einstellen einer Ausgangs-Stromgrenzes der Brennstoffzelle als den vorbegrenzten Strom das kritische Zellenspannungsverhältnis erreicht und eine Abfall-Änderungsrate der minimalen Zellenspannung höher ist als eine Abfall-Änderungsrate der durchschnittlichen Zellenspannung, kann der begrenzten Ausgangsstrom der Brennstoffzelle als der vorbegrenzte Strom eingestellt werden.
  • Das Verfahren kann ferner das Schalten der ersten und zweiten Hochvolt-Batterie in Reihe enthalten, wenn ein Zündschlüssel abgezogen oder die Zündung eines Fahrzeugs ausgeschaltet ist.
  • Wenn das Zellenspannungsverhältnis im Schritt zum Parallelschalten der ersten und zweiten Hochvolt-Batterie mit dem Haupt-Busanschluss das kritische Zellenspannungsverhältnis erreicht, kann ein erforderlicher Ausgangswert für ein System nur von der Brennstoffzelle erzeugt werden, und die erste und die zweite Hochvolt-Batterie können aufgeladen werden, so dass eine Spannung an jedem Ausgangsende eine Spannung am Ausgangsende der Brennstoffzelle erreicht, und sie dann zum Haupt-Busanschluss parallelgeschaltet werden.
  • Wenn nach dem Schritt der Ausgabe des zusätzlichen Stroms von der zweiten Hochvolt-Batterie ein erforderlicher Ausgangswert für ein System gleich oder kleiner ist als ein Referenzwert, kann der Schritt der Ausgabe des zusätzlichen Stroms von der zweiten Hochvolt-Batterie beendet werden.
  • Im Schritt zum Speichern des Ausgangsstroms der Brennstoffzelle als den vorbegrenzten Strom kann der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle als der vorbegrenzte Strom gespeichert werden, wenn das Zellenspannungsverhältnis, das durch Dividieren der minimalen Zellenspannung durch die durchschnittliche Zellenspannung erhalten wird, das minimale Zellenspannungsverhältnis in einem Zustand erreicht, in dem der erforderliche Ausgangswert für ein System gleich oder größer ist als ein Referenzwert.
  • Wenn im Schritt der Ausgabe des zusätzlichen Stroms von der zweiten Hochvolt-Batterie der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle den vorgegebenen Bereich des begrenzten Ausgangsstroms erreicht, der als der vorbegrenzte Strom eingestellt ist, kann der vorbegrenzte Strom als ein begrenzter Haltestrom eingestellt werden, und der zusätzliche Strom von der zweiten Hochvolt-Batterie aufgrund eines ungenügenden Ausgangsstroms der Brennstoffzelle für den begrenzte Haltestrom eingestellt werden.
  • Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung enthält ein System zum Steuern der Energieversorgung in einem Brennstoffzellenfahrzeug, wobei das System das Verfahren zum Steuern der Energieversorgung in einem Brennstoffzellenfahrzeug gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung ausführt, einen Schalter, der zur Verwirklichung eines Divisionsmodus, in dem eine erste und eine zweite Hochvolt-Batterie mit einem Haupt-Busanschluss über jeweils einen ersten und einen zweiten Wandler parallel geschaltet sind, oder eines Integrationsmodus konfiguriert ist, in dem die erste und die zweite Hochvolt-Batterie in Reihe geschaltet sind, wobei sie über den zweiten Wandler parallel zum Haupt-Busanschluss geschaltet sind, einen Spannungssensor zum Detektieren einer Spannung jeder Brennstoffzelle, einen Speicher zum Speichern eines minimalen Zellenspannungsverhältnisses, eines kritischen Zellenspannungsverhältnisses, eines begrenzten Ausgangsstroms und eines vorbegrenzten Stroms, und eine Steuerung zum Ansteuern des Schalters und der Brennstoffzelle, wobei die Steuerung konfiguriert ist zum: Aktualisieren des vorbegrenzten Stroms im Speicher als einen Ausgangsstrom der Brennstoffzelle, wenn ein Zellenspannungsverhältnis das minimale Zellenspannungsverhältnis erreicht, Einstellen des begrenzten Ausgangsstroms der Brennstoffzelle als des vorbegrenzten Stroms und Schalten der ersten und der zweiten Hochvolt-Batterie auf den Divisionsmodus mittels des Schalters, wenn das Zellenspannungsverhältnis das kritische Zellenspannungsverhältnis erreicht, und Steuern des zweiten Wandlers zur Ausgabe eines zusätzlichen Stroms von der zweiten Hochvolt-Batterie aufgrund eines ungenügenden Ausgangsstroms der Brennstoffzelle für den vorbegrenzten Strom, wenn der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle einen vorgegebenen Bereich des begrenzten Ausgangsstroms erreicht, der als der vorbegrenzter Strom eingestellt worden ist.
  • Die erste Hochvolt-Batterie und der erste Wandler können mit einer ersten Stromkreis verbunden sein, die zweite Hochvolt-Batterie und der zweite Wandler können mit einer zweiten Schaltung zweiten Stromkreis verbunden sein, und der erste und der zweite Stromkreis können durch einen ersten und einen zweiten Schalter miteinander verbunden oder voneinander getrennt werden.
  • Der erste Schalter kann zwischen der ersten Hochvolt-Batterie und der zweiten Hochvolt-Batterie vorgesehen sein, so dass die erste und die zweite Hochvolt-Batterie voneinander getrennt oder miteinander in Reihe geschaltet werden.
  • Der zweite Schalter kann zwischen dem ersten Kreis und dem zweiten Stromkreis an einer Stelle zwischen der ersten und der zweiten Hochvolt-Batterie vorgesehen sein, so dass der erste und der zweite Stromkreis voneinander getrennt oder miteinander in Reihe geschaltet werden.
  • Wie aus der obigen Beschreibung offensichtlich ist, können das Verfahren und das System zum Steuern der Energieversorgung in einem Brennstoffzellenfahrzeug gemäß der vorliegenden Offenbarung die Dauerhaftigkeit der Brennstoffzelle verbessern und die Hochvolt-Batterie durch Verhindern eines abnormalen Verhaltens des Fahrzeugs effizient managen, wodurch ein abnormales Verhalten des Fahrzeugs verhindert und einen Abfall der Zellenspannung vorausgesagt wird, indem die Brennstoffzelle durch eine Stromgrenze bei einem Abfall der Brennstoffzellenspannung geschützt wird.
  • Figurenliste
  • Die obigen und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung erschließen sich aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen; es zeigen:
    • 1 und 2 Diagramme eines Systems zum Steuern der Energieversorgung in einem Brennstoffzellenfahrzeug gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; und
    • 3 und 4 Flussdiagramme eines Verfahrens zum Steuern der Energieversorgung in einem Brennstoffzellenfahrzeug gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
  • BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Ein Verfahren und ein System zum Steuern der Energieversorgung eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlich beschrieben.
  • Die 1 und 2 sind Diagramme eines Systems zum Steuern der Energieversorgung in einem Brennstoffzellenfahrzeug gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Die 3 und 4 sind Flussdiagramme eines Verfahrens zum Steuern der Energieversorgung in einem Brennstoffzellenfahrzeug gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
  • Wie die 3 und 4 zeigen, enthält das Verfahren zum Steuern der Energieversorgung eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung einen Schritt (S430) zum Speichern eines Ausgangsstroms einer Brennstoffzelle als einen vorbegrenzten Strom, wenn ein Zellenspannungsverhältnis, das durch Dividieren einer minimalen Zellenspannung durch eine durchschnittliche Zellenspannung erhalten wird, ein minimales Zellenspannungsverhältnis erreicht, einen Schritt zum Überwachen des Zellenspannungsverhältnisses, einen Schritt (S230) zum Einstellen eines begrenzten Ausgangsstroms der Brennstoffzelle als des vorbegrenzten Stroms, wenn das Zellenspannungsverhältnis ein kritisches Zellenspannungsverhältnis erreicht, einen Schritt (S270) zum Parallelschalten der ersten und zweiten Hochvolt-Batterie mit einem Haupt-Busanschluss, wenn das Zellenspannungsverhältnis das kritische Zellenspannungsverhältnis erreicht, und einen Schritt (S320) zur Ausgabe eines zusätzlichen Stroms aus der zweiten Hochvolt-Batterie aufgrund eines ungenügenden Ausgangsstroms der Brennstoffzelle für den vorbegrenzten Strom, wenn der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle einen vorgegebenen Bereich des begrenzten Ausgangsstroms erreicht, der als der vorbegrenzte Strom eingestellt ist.
  • Obwohl eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ein Beispiel beschreibt, bei dem die erste und die zweite Hochvolt-Batterie als eine Hochvolt-Batterie verwendet werden, kann auch dann, wenn drei oder mehr Hochvolt-Batterien in der Ausführungsform bereitgestellt sind, eine davon als eine erste Hochvolt-Batterie und die anderen als zweite Hochvolt-Batterie angesehen werden. Das heißt, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf eine bestimmte Anzahl Batterien beschränkt ist, da die Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ausreicht, wenn das Fahrzeug mindestens zwei Hochvolt-Batterien enthält.
  • Wenn das Fahrzeug gestartet wird, werden zuerst zuvor in einem Speicher gespeicherte Ausgangswerte geladen (S100). Die Ausgangswerte enthalten ein minimales Zellenspannungsverhältnis, ein kritisches Zellenspannungsverhältnis, einen begrenzten Ausgangsstrom, einen vorbegrenzten Strom usw.
  • Die Brennstoffzelle wird so gesteuert, dass sie nur einen Strom ausgibt, der gleich oder niedriger ist als der begrenzte Ausgangsstrom, um eine Beschädigung der Zelle aufgrund einer Gegenspannung oder dgl. zu vermeiden. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung wird ein Wert des vorbegrenzten Stroms zusätzlich zu dem des begrenzten Ausgangsstroms getrennt bereitgestellt, um ein Zellenleck vorauszusagen und um den Ausgangswert der Brennstoffzelle entsprechend dem vorbegrenzten Strom zu begrenzen, bevor die Spannung der Zelle in der Praxis rapide abfällt. Für das Fahrzeug sind also zwei Grenzwerte, der begrenzte Ausgangsstrom und der vorbegrenzte Strom vorgesehen, die den Ausgangswert der Brennstoffzelle auf Basis des unteren Werts der Grenzwerte begrenzen.
  • Das Zellenspannungsverhältnis (RV) ist ein Wert, der durch Dividieren einer minimalen Zellenspannung durch eine durchschnittliche Zellenspannung erhalten wird. Dementsprechend ist die minimale Spannung der Zelle sehr niedrig, da das Zellenspannungsverhältnis niedrig ist, und deshalb ist das Auftreten eines Zellenlecks wahrscheinlich. Darum wird der Schritt des Speichems eines Ausgangsstroms einer Brennstoffzelle als eines vorbegrenzten Stroms, wenn ein Zellenspannungsverhältnis ein minimales Zellenspannungsverhältnis erreicht, ausgeführt. Das heißt, wenn ein Fahrpedal-Öffnungsgrad gleich oder größer ist als ein Referenzwert (c) (z. B. 10%) (S410) wie in 4 gezeigt, ist zu ersehen, dass das Fahrzeug bei einem Fahrpedal-Öffnungsgrad gestartet wird, bei dem, wenn das Zellenspannungsverhältnis auf das vordefinierte minimale Zellenspannungsverhältnis (b) (S420) absinkt, wenn der Ausgangswert in der Brennstoffzelle erzeugt wird, der vorbegrenzten Strom als ein aktueller Wert aktualisiert wird, der derzeit von der Brennstoffzelle erzeugt wird (S430).
  • Wenn das Zellenspannungsverhältnis normal ist, wird der vorbegrenzte Strom geringfügig erhöht und in den Ausgangszustand zurückversetzt (S440). In diesem Prozess wird der vorbegrenzte Strom über einen bestimmten Zeitraum langsam aktualisiert, um eine schnelle Veränderung der Steuerung zu vermeiden (S450).
  • Das minimale Zellenspannungsverhältnis kann hier ein Mindestwert sein, bei dem keine Gegenspannung erzeugt wird, wenn die Ausgangsspannung in der Brennstoffzelle erzeugt wird. Da im Allgemeinen wahrscheinlich eine Gegenspannung erzeugt wird, wenn das Zellenspannungsverhältnis gleich oder kleiner 0,74 ist, wird das minimale Zellenspannungsverhältnis vorzugsweise auf ca. 0,75 im Speicher eingestellt. Das Zellenspannungsverhältnis (RV) von 0,74 in einem Stapel ist ein Mindestwert, bei dem keine Gegenspannung erzeugt wird, wenn die Ausgangsspannung im Stapel erzeugt wird. In einem Fall, in dem die durchschnittliche Zellenspannung im Stapel 0,90 V bei RV 0,74 beträgt, beträgt die minimale Zellenspannung im Stapel 0,66 V. Wenn die minimale Zellenspannung im Stapel 0,66 V in einem Kanal beträgt, der durch Bündeln von vier Zellen gebildet ist, tritt dieser Zustand unmittelbar vor der Erzeugung einer Gegenspannung auf, da drei Zellen eine Spannung von 0,90 V haben und die andere Zelle im schlimmsten Fall eine Spannung von 0,06 V hat. Wenn also das RV 0,74 beträgt, wird der Zelle kein Strom entzogen, um eine Gegenspannung zu vermeiden, während bei einem RV gleich oder kleiner 0,74 die Stromstärke gesenkt werden muss, da die Möglichkeit besteht, dass bereits eine Gegenspannung erzeugt wurde.
  • Als Nächstes wird der Schritt der Überwachung des Zellenspannungsverhältnisses ausgeführt. Wenn das Zellenspannungsverhältnis das kritische Zellenspannungsverhältnis erreicht (S210), erfolgt der Schritt (S230) der Einstellung eines begrenzten Ausgangsstroms der Brennstoffzelle als des vorbegrenzten Stroms. Hier kann im Schritt der Einstellung eines begrenzten Ausgangsstroms der Brennstoffzelle als des vorbegrenzten Stroms der begrenzte Ausgangsstrom der Brennstoffzelle als der vorbegrenzte Strom eingestellt werden (S230), wenn das Zellenspannungsverhältnis das kritische Zellenspannungsverhältnis erreicht (S210) und eine Änderungs-Abfallrate der minimalen Zellenspannung größer ist als eine Änderungs-Abfallrate der durchschnittlichen Zellenspannung (S220).
  • Das kritische Zellenspannungsverhältnis ist größer als das minimale Zellenspannungsverhältnis, und wenn das minimale Zellenspannungsverhältnis 0,75 beträgt, kann das kritische Zellenspannungsverhältnis ca. 0,8 betragen. Wenn das Zellenspannungsverhältnis der Brennstoffzelle auf das kritische Zellenspannungsverhältnis sinkt, wird demnach nicht unmittelbar eine Gegenspannung erzeugt, aber die Wahrscheinlichkeit besteht. Wenn außerdem die Änderungs-Abfallrate der minimalen Zellenspannung größer ist als die Änderungs-Abfallrate der durchschnittlichen Zellenspannung, kann die Spannung einer spezifischen Zelle schnell abfallen, was später zu einem Zellenleck führen kann. Deshalb wird der Wert des vorbegrenzten Stroms als Referenz zur Begrenzung eines Ausgangsstroms zur Begrenzung des Stroms im Voraus eingestellt. Auf diese Weise ist es durch die Kontrolle des Zustands der Brennstoffzelle im Voraus und die Begrenzung eines ein Zellenleck verursachenden Stroms möglich, eine Zustandsverschlechterung der Brennstoffzelle zu verhindern und ausreichend Zeit sicherzustellen, um die Brennstoffzelle allmählich wiederherzustellen.
  • Zu diesem Zweck wird der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle abrupt gesenkt. Da jedoch die Steuerung der Stromgrenze gleichzeitig erfolgt, ist schwerlich mit einem sofortigen Ansprechen der Zusatzmechanismen zum Begrenzen des Ausgangswerts der Brennstoffzelle zu rechnen, so dass das Fahrzeug über einen gewissen Zeitraum ein abnormales Verhalten wie Schlingern aufweisen kann. Das heißt, wenn der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle von einem Niveau 100 auf ein Niveau 50 sinkt, muss die zugeführte Luftmenge reduziert werden. In diesem Fall kann eine Hysterese aufgrund der Eigenschaften des Fluids auftreten, und der Ausgangsstrom bewegt sich dann auf- und abwärts und pendelt sich schließlich ungefähr auf dem Niveau 50 ein, was in Schlingern resultiert. Außerdem kann ein Schlingern auftreten, wenn die Zellenspannung rapide während des Abfalls des Ausgangsstroms sinkt.
  • Um das abnormale Verhalten wie Schlingern des Fahrzeugs aufgrund zu geringer Spannung entsprechend der Stromgrenze zu verhindern, ist ein Mittel zur sofortigen Wiederherstellung der Spannung erforderlich. Die 1 und 2 zeigen einen Schaltprozess zur Wiederherstellung der Spannung. Für den Schaltprozess können die Hochvolt-Batterie des Fahrzeugs topologisch in zwei Batterien geteilt werden oder die Batterien können miteinander vereinigt werden.
  • Das heißt, wenn das Zellenspannungsverhältnis das kritische Zellenspannungsverhältnis erreicht, wird der Schritt (S270) der Parallelschaltung der ersten und der zweiten Hochvolt-Batterie mit einem Haupt-Busanschluss ausgeführt. Wenn das Zellenspannungsverhältnis das kritische Zellenspannungsverhältnis erreicht, wird die Hochvolt-Batterie in die erste und die zweite Hochvolt-Batterie geteilt, so dass sich die erste Hochvolt-Batterie zusammen mit der Brennstoffzelle in einem herkömmlichen Hybridmodus befindet und die zweite Hochvolt-Batterie nur in einem Bereitschaftszustand ist. Wenn der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle den begrenzten Ausgangsstrom erreicht, der als der vorbegrenzte Strom eingestellt ist, oder innerhalb des vorgegebenen Bereichs des begrenzten Ausgangsstroms liegt (S310), wird der Schritt (S320) der Ausgabe eines zusätzlichen Stroms von der zweiten Hochvolt-Batterie der Brennstoffzelle aufgrund eines ungenügenden Ausgangsstroms der Brennstoffzelle für den vorbegrenzten Strom ausgeführt, um die Fahrsicherheit durch die sofortige Wiederherstellung der Spannung im Fall von Schlingern sicherzustellen.
  • Wenn eine Hochvolt-Batterie verwendet wird, wie in der verwandten Technik, kann der Ladezustand der Hochvolt-Batterie unzureichend sein und Laden/Entladen des Stroms kann aufgrund der Eigenschaft des Hybrid-Fahrmodus ständig auftreten. Die Batterie wird deshalb in zwei Batterien geteilt, und eine davon unterstützt die Brennstoffzelle wie in der verwandten Technik, während die andere Batterie sofort einen Strom aufgrund eines ungenügenden Ausgangsstroms der Brennstoffzelle für den vorbegrenzten Strom in einem geladenen und Bereitschaftszustand ausgibt, um die Spannung wiederherzustellen und eine Verringerung der Antriebskraft zu vermeiden.
  • Da die Brennstoffzelle wirksam geschützt ist und keiner Zustandsverschlechterung unterliegt und die Gesamtleistung des Fahrzeugs nicht rapide sinkt, ist es deshalb möglich, sowohl Dauerhaftigkeit als auch Fahrsicherheit zu gewährleisten.
  • Außerdem hat der vorbegrenzte Strom einen Wert, der in Abhängigkeit von der Änderung des Zellenspannungsverhältnisses der Brennstoffzelle variieren kann. Wenn der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle den vorgegebenen Bereich des begrenzten Ausgangsstroms erreicht, der als der vorbegrenzte Strom eingestellt ist, wird deshalb der vorbegrenzte Strom als ein begrenzter Haltestrom mit einem unveränderlichen Wert fest eingestellt (S312). Der zusätzliche Strom kann dann von der zweiten Hochvolt-Batterie aufgrund eines ungenügenden Ausgangsstroms der Brennstoffzelle für den begrenzten Haltestrom, der ein fester Wert ist, ausgegeben werden. Das heißt, die Leistung des Fahrzeugs kann während der Ausgabe des zusätzlichen Stroms selbst dann konstant gehalten werden, wenn sich der vorbegrenzte Strom ändert, wodurch eine Verschlechterung der Fahreigenschaften des Fahrzeugs verhindert wird.
  • Das Verfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann ferner einen Schritt (S360) enthalten, in dem die erste und die zweite Hochvolt-Batterie in Reihe geschaltet sind, wenn der Zündschlüssel abgezogen oder die Zündung des Fahrzeugs ausgeschaltet ist. Das heißt, selbst dann, wenn die Hochvolt-Batterien im geteilten Zustand verwendet werden, werden sie für die Vorbereitung des nächsten Zündvorgangs vereinigt, wenn die Zündung des Fahrzeugs ausgeschaltet ist. Die Hochvolt-Batterien unterstützen gewöhnlich die die Brennstoffzelle in dem Zustand, in dem sie zu einer Batterie wie in der verwandten Technik vereinigt sind.
  • Wenn in Schritt (S270) der Parallelschaltung der ersten und der zweiten Hochvolt-Batterie zu einem Haupt-Busanschluss das Zellenspannungsverhältnis das kritische Zellenspannungsverhältnis erreicht, erzeugt nur die Brennstoffzelle eine erforderliche Ausgangsspannung für das System (S240). Danach können die erste und die zweite Hochvolt-Batterie aufgeladen werden, so dass die Spannung an jedem Ausgangsende die Spannung am Ausgangsende der Brennstoffzelle erreicht (S250), und dann können die erste und die zweite Hochvolt-Batterie zum Haupt-Busanschluss parallelgeschaltet werden, wenn die Spannungsdifferenz geringer ist als 10 V (S260). Durch einen solchen Prozess kann ein Kurzschluss aufgrund von Überspannung verhindert und ein Stromkreis durch die Teilung der Batterie geschützt werden.
  • Wenn außerdem nach dem Schritt der Ausgabe eines zusätzlichen Stroms aus der zweiten Hochvolt-Batterie der erforderliche Ausgangswert für das System gleich oder kleiner ist als ein Referenzwert, kann die Ausgabe des zusätzlichen Stroms aus der zweiten Hochvolt-Batterie beendet werden (S340). Das heißt, wenn der Fahrpedal-Öffnungsgrad gleich oder kleiner ist als ein Referenzwert (c) (z. B. 10%) (S330), ist der erforderliche Ausgangswert niedrig, so dass es in diesem Fall unnötig ist, den Ausgangsstrom zu begrenzen, da der Ausgangsstrom selbst niedrig ist. Deshalb besteht nur eine geringe Wahrscheinlichkeit für ein abnormales Verhalten wie Schlingern. In diesem Fall kann dementsprechend die Brennstoffeffizienz durch erneutes Integrieren der Hochvolt-Batterien und ausreichendes regeneratives Bremsen verbessert werden.
  • Die 1 und 2 sind Diagramme eines Systems zum Steuern der Energieversorgung in einem Brennstoffzellenfahrzeug gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Ein Schalter kann einen Divisionsmodus einstellen, in dem die erste und die zweite Hochvolt-Batterie 100 und 200 über einen jeweiligen ersten und zweiten Wandler 120 und 220 zu einem Haupt-Busanschluss 600 parallelgeschaltet sind, oder einen Integrationsmodus, in dem die erste und die zweite Hochvolt-Batterie 100 und 200 in Reihe geschaltet sind und über den zweiten Wandler 220 zum Haupt-Busanschluss 600 parallelgeschaltet sind.
  • Die erste Hochvolt-Batterie 100 und der erste Wandler 120 können mit einem ersten Stromkreis 140 verbunden sein, die zweite Hochvolt-Batterie 200 und der zweite Wandler 220 können mit einem zweiten Stromkreis 240 verbunden sein, und der erste und zweite Stromkreis 140 und 240 können durch den ersten und zweiten Schalter 160 und 260 voneinander getrennt oder miteinander verbunden werden. Obwohl eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ein Beispiel beschreibt, bei dem die erste und die zweite Hochvolt-Batterie als eine Hochvolt-Batterie verwendet werden, kann selbst dann, wenn drei oder mehr Hochvolt-Batterien in der Ausführungsform bereitgestellt sind, eine davon als eine erste Hochvolt-Batterie, und die anderen können als eine zweite Hochvolt-Batterie verwendet werden.
  • Der erste Schalter 160 ist zwischen der ersten Hochvolt-Batterie 100 und der zweitenHochvolt-Batterie 200 angeordnet, so dass die erste und die zweite Hochvolt-Batterien 100 und 200 voneinander getrennt oder in Reihe geschaltet werden können.
  • Der zweite Schalter 260 ist zwischen dem ersten Stromkreis 140 und dem zweiten Stromkreis 240 an einer Stelle zwischen en Hochvolt-Batterien und den Wandlern angeordnet, so dass der erste und der zweite Stromkreis 140 und 240 voneinander getrennt oder miteinander in Reihe geschaltet werden können.
  • 1 zeigt den Integrationsmodus. Im Integrationsmodus sind die erste und die zweite Hochvolt-Batterie 100 und 200 durch die Betätigung des ersten und des zweiten Schalters 160 und 260 zur Bildung einer Batterie in Reihe geschaltet, und durch den zweiten Wandler 220 sind sie zum Haupt-Busanschluss 600 parallelgeschaltet.
  • 2 zeigt den Divisionsmodus. Im Divisionsmodus sind die erste und die zweite Hochvolt-Batterie 100 und 200 jeweils Batterien, die durch die Betätigung des ersten und des zweiten Schalters 160 und 260 getrennt sind, und sie sind über den jeweiligen ersten bzw. zweiten Wandler 120 und 220 zum Haupt-Busanschluss 600 parallelgeschaltet. In diesem Fall dient die erste Hochvolt-Batterie 100 zusammen mit einer Brennstoffzelle 300 zum Hybridantrieb eines Elektromotors 400, und die zweite Hochvolt-Batterie 200 dient zur Ausgabe eines zusätzlichen Stroms wie erforderlich.
  • Das System zum Steuern der Energieversorgung eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung enthält einen Spannungssensor 201, der eine Spannung jeder der Brennstoffzellen detektiert, um ein Zellenspannungsverhältnis in Echtzeit zu berechnen. Ein minimales Zellenspannungsverhältnis, ein kritisches Zellenspannungsverhältnis, ein begrenzter Ausgangsstrom und ein vorbegrenzter Strom sind in einem Speicher gespeichert, und sie können in einem Steuerungsprozess für den nächsten Zündvorgang aktualisiert werden.
  • Das System enthält eine Steuerung 500, die das Ansteuern des Schalters und der Brennstoffzelle steuert. Die Steuerung 500 aktualisiert den vorbegrenzten Strom im Speicher als einen Ausgangsstrom der Brennstoffzelle, wenn das Zellenspannungsverhältnis das minimale Zellenspannungsverhältnis erreicht, stellt den begrenzten Ausgangsstrom der Brennstoffzelle als den vorbegrenzten Strom ein und schaltet für die erste und die zweite Hochvolt-Batterie durch den Schalter auf den Divisionsmodus, wenn das Zellenspannungsverhältnis das kritische Zellenspannungsverhältnis erreicht, und steuert den zweiten Wandler aufgrund eines ungenügenden Ausgangsstroms der Brennstoffzelle zur Ausgabe des zusätzlichen Stroms von der zweiten Hochvolt-Batterie für den vorbegrenzten Strom, wenn der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle einen vorgegebenen Bereich des begrenzten Ausgangsstroms erreicht, der als der vorbegrenzte Strom eingestellt ist.
  • Mit dem Verfahren und dem System zum Steuern der Energieversorgung in einem Brennstoffzellenfahrzeug gemäß der vorliegenden Offenbarung ist es möglich, die Dauerhaftigkeit der Brennstoffzelle zu verbessern und die Hochvolt-Batterie durch Verhindern eines abnormalen Verhaltens des Fahrzeugs effizient zu managen sowie einen Abfall der Zellenspannung vorauszusagen, indem die Brennstoffzelle durch eine Stromgrenze bei einem Abfall der Brennstoffzellenspannung geschützt wird.
  • Obwohl die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung der Veranschaulichung dienen, versteht es sich für den Fachmann, dass verschiedene Modifikationen, Hinzufügungen und Substitutionen möglich sind, ohne von Gültigkeitsbereich und Geist der Offenbarung wie in den angefügten Ansprüchen offenbart abzuweichen.

Claims (13)

  1. Verfahren zum Steuern der Energieversorgung in einem Brennstoffzellenfahrzeug, das die Schritte aufweist: Speichern eines Ausgangsstroms einer Brennstoffzelle als eines vorbegrenzten Stroms, wenn ein Zellenspannungsverhältnis, das durch Dividieren einer minimalen Zellenspannung durch eine durchschnittliche Zellenspannung erhalten wird, ein minimales Zellenspannungsverhältnis erreicht; Überwachen des Zellenspannungsverhältnisses; Einstellen eines begrenzten Ausgangsstroms der Brennstoffzelle als des vorbegrenzten Stroms, wenn das Zellenspannungsverhältnis ein kritisches Zellenspannungsverhältnis erreicht; Parallelschalten einer ersten und einer zweiten Hochvolt-Batterie zu einem Haupt-Busanschluss, wenn das Zellenspannungsverhältnis das kritische Zellenspannungsverhältnis erreicht; und Ausgeben eines zusätzlichen Stroms aus der zweiten Hochvolt-Batterie aufgrund eines ungenügenden Ausgangsstroms der Brennstoffzelle für den vorbegrenzten Strom, wenn der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle einen vorgegebenen Bereich des begrenzten Ausgangsstroms erreicht, der als der vorbegrenzte Strom eingestellt ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das minimale Zellenspannungsverhältnis ein Mindestwert ist, bei dem keine Gegenspannung erzeugt wird, wenn in der Brennstoffzelle ein Ausgangsstrom erzeugt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das kritische Zellenspannungsverhältnis größer ist als das minimale Zellenspannungsverhältnis.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei dann, wenn im Schritt der Einstellung des begrenzten Ausgangsstroms der Brennstoffzelle als des vorbegrenzten Stroms das Zellenspannungsverhältnis das kritische Zellenspannungsverhältnis erreicht und eine Abfall-Änderungsrate der minimalen Zellenspannung höher ist als eine Abfall-Änderungsrate der durchschnittlichen Zellenspannung, der begrenzte Ausgangsstrom der Brennstoffzelle als der vorbegrenzte Strom eingestellt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner das Schalter der ersten und der zweiten Hochvolt-Batterie in Reihe aufweist, wenn ein Zündschlüssel abgezogen oder die Zündung eines Fahrzeugs ausgeschaltet ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei dann, wenn im Schritt der Parallelschaltung der ersten und der zweiten Hochvolt-Batterie zum Haupt-Busanschluss das Zellenspannungsverhältnis das kritische Zellenspannungsverhältnis erreicht, ein erforderlicher Ausgangswert für ein System nur von der Brennstoffzelle erzeugt wird, und die erste und die zweite Hochvolt-Batterie aufgeladen werden, so dass eine Spannung an jedem Ausgangsende eine Spannung am Ausgangsende der Brennstoffzelle erreicht, und sie dann zum Haupt-Busanschluss parallelgeschaltet werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei nach dem Schritt der Ausgabe des zusätzlichen Stroms von der zweiten Hochvolt-Batterie, der Schritt der Ausgabe des zusätzlichen Stroms von der zweiten Hochvolt-Batterie beendet wird, wenn ein erforderlicher Ausgangswert für ein System gleich oder kleiner ist als ein Referenzwert.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei im Schritt des Speicherns des Ausgangsstroms der Brennstoffzelle als des vorbegrenzten Stroms der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle als der vorbegrenzte Strom gespeichert wird, wenn das Zellenspannungsverhältnis das minimale Zellenspannungsverhältnis in einem Zustand erreicht, in dem ein erforderlicher Ausgangswert für ein System gleich oder größer ist als ein Referenzwert.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei im Schritt der Ausgabe des zusätzlichen Stroms aus der zweiten Hochvolt-Batterie dann, wenn der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle den vorgegebenen Bereich des begrenzten Ausgangsstroms, der als der vorbegrenzte Strom eingestellt ist, erreicht, der vorbegrenzte Strom als ein begrenzter Haltestrom eingestellt wird, und der zusätzliche Strom von der zweiten Hochvolt-Batterie aufgrund eines ungenügenden Ausgangsstroms der Brennstoffzelle für den begrenzten Haltestrom ausgegeben wird.
  10. System zum Steuern der Energieversorgung in einem Brennstoffzellenfahrzeug, wobei das System das Verfahren zum Steuern der Energieversorgung in einem Brennstoffzellenfahrzeug nach Anspruch 1 ausführt, wobei das System aufweist: einen Schalter, der zur Verwirklichung eines Divisionsmodus, in dem eine erste und eine zweite Hochvolt-Batterie zu einem Haupt-Busanschluss über jeweils einen ersten und einen zweiten Wandler parallelgeschaltet sind, oder eines Integrationsmodus konfiguriert ist, in dem die erste und die zweite Hochvolt-Batterie in Reihe geschaltet sind, wobei sie über den zweiten Wandler parallel zum Haupt-Busanschluss geschaltet sind; einen Spannungssensor zum Detektieren einer Spannung jeder Brennstoffzelle; einen Speicher zum Speichern eines minimalen Zellenspannungsverhältnisses, eines kritischen Zellenspannungsverhältnisses, eines begrenzten Ausgangsstroms und eines vorbegrenzten Stroms; und eine Steuerung zum Ansteuern des Schalters und der Brennstoffzelle, wobei die Steuerung konfiguriert ist zum: Aktualisieren des vorbegrenzten Stroms im Speicher als einen Ausgangsstrom der Brennstoffzelle, wenn ein Zellenspannungsverhältnis das minimale Zellenspannungsverhältnis erreicht, Einstellen des begrenzten Ausgangsstroms der Brennstoffzelle als des vorbegrenzten Stroms und Schalten der ersten und der zweiten Hochvolt-Batterie auf den Divisionsmodus mittels des Schalters, wenn das Zellenspannungsverhältnis das kritische Zellenspannungsverhältnis erreicht, und Steuern des zweiten Wandlers zur Ausgabe eines zusätzlichen Stroms von der zweiten Hochvolt-Batterie aufgrund eines ungenügenden Ausgangsstroms der Brennstoffzelle für den vorbegrenzten Strom, wenn der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle einen vorgegebenen Bereich des begrenzten Ausgangsstroms erreicht, der als der vorbegrenzter Strom eingestellt worden ist.
  11. System nach Anspruch 10, wobei die erste Hochvolt-Batterie und der erste Wandler mit einem ersten Stromkreis verbunden sind, die zweite Hochvolt-Batterie und der zweite Wandler mit einem zweien Stromkreis verbunden sind und der erste und der zweite Stromkreis durch den ersten und den zweiten Schalter voneinander getrennt oder miteinander verbunden werden.
  12. System nach Anspruch 11, wobei der erste Schalter zwischen der ersten Hochvolt-Batterie und der zweiten Hochvolt-Batterie angeordnet ist, so dass die erste und die zweite Hochvolt-Batterie voneinander getrennt oder in Reihe geschaltet werden.
  13. System nach Anspruch 11, wobei der zweite Schalter zwischen dem ersten Stromkreis und dem zweiten Stromkreis an einer Stelle zwischen der ersten und der zweiten Hochvolt-Batterie und dem ersten und dem zweiten Wandler angeordnet ist, so dass der erste und der zweite Stromkreis voneinander getrennt oder in Reihe geschaltet werden.
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