DE102018124304A1

DE102018124304A1 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102018124304A1
Application number: DE102018124304.9A
Authority: DE
Inventors: Junichi Matsuo
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-11-29
Filing date: 2018-10-02
Publication date: 2019-05-29
Anticipated expiration: 2038-10-03
Also published as: JP2019103179A; US20190165397A1; CN109860666B; US10804552B2; DE102018124304B4; JP6844515B2; CN109860666A

Abstract

Eine Steuereinheit (300), die in einem Brennstoffzellensystem (10) enthalten ist, ist dafür ausgelegt, während einer Ausführung eines Hilfsmaschinenleistungsverbrauchs eine Voraussage dahingehend, ob eine benötigte Ausgangsleistung (Ptgt) für einen Motor-Generator (140) einen positiven Wert haben wird, und eine Bestimmung dahingehend, ob eine Spannung einer ersten Brennstoffzelle (100) kleiner ist als eine Sollspannung (Vtgtl; Vtgt2), zu treffen, und ist dafür ausgelegt, ein Umgehungsventil (560) während der Ausführung des Hilfsmaschinenleistungsverbrauchs auf einen ersten Öffnungsgrad einzustellen, wenn ein Ergebnis der Voraussage und/oder der Bestimmung negativ ist, und ist dafür ausgelegt, während der Ausführung des Hilfsmaschinenleistungsverbrauchs das Umgehungsventil (560) auf einen zweiten Öffnungsgrad einzustellen, der kleiner ist als der erste Öffnungsgrad, wenn Ergebnisse von sowohl der Voraussage als auch der Bestimmung positiv sind.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Offenbarung betrifft einen Hilfsmaschinenleistungsverbrauch zum Verbrauchen zusätzlicher regenerativer Leistung.
Beschreibung der verwandten Technik
Im Allgemeinen ist ein Brennstoffzellensystem, das in ein Fahrzeug eingebaut ist, dafür ausgelegt, eine Sekundärbatterie mit regenerativer Leistung von einem Fahrmotor-Generator zu laden. Wenn hierbei sämtliche regenerative Leistung für das Laden der Sekundärbatterie vorgesehen wird, kann es abhängig vom Zustand der Sekundärbatterie ein Problem mit der Sekundärbatterie geben. Die ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung Nr. 2017-135860 ( JP 2017-135860 A ) offenbart, dass in diesem Fall zusätzliche regenerative Leistung hauptsächlich in einem Luftkompressor verbraucht wird.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
JP 2017-135860 A offenbart keine Regelung und kein Phänomen nahe dem Ende eines Hilfsmaschinenleistungsverbrauchs. JP 2017-135860 A offenbart auch keinen Druckluftstrom während der Ausführung eines Hilfsmaschinenleistungsverbrauchs.
Wenn ein Hilfsmaschinenleistungsverbrauch in einem Luftverdichter ausgeführt wird, wird Druckluft erzeugt. Wenn sämtliche Druckluft zu einer Brennstoffzelle geliefert wird, die gerade keine Leistungserzeugung durchführt, schreitet die Austrocknung der Brennstoffzelle voran und ihre Spannung steigt übermäßig, wodurch Zellen beschädigt werden können. Somit ist es bevorzugt, dass zumindest ein Teil der Druckluft nicht in die Brennstoffzelle strömt, sondern in die Luft abgegeben wird.
Andererseits wird zu einem Zeitpunkt, zu dem eine benötigte Ausgangsleistung für einen Motor-Generator ein positiver Wert wird, keine regenerative Leistung erzeugt, und somit ist es notwendig, einen Hilfsmaschinenleistungsverbrauch zu stoppen und dem Motor-Generator elektrische Leistung zuzuführen.
Wenn während der Ausführung des Hilfsmaschinenleistungsverbrauchs keine Druckluft in die Brennstoffzelle strömt, kann jedoch die Spannung der Brennstoffzelle zu dem Zeitpunkt, zu dem die benötigte Ausgangsleistung für den Motor-Generator ein positiver Wert wird, zu niedrig sein. Wenn die Spannung der Brennstoffzelle zu niedrig ist, weist eine erzeugte Leistung einen niedrigen Wert auf. Um die Spannung der Brennstoffzelle zu erhöhen, ist es notwendig, dem Luftverdichter elektrische Leistung zuzuführen. Da die erzeugte Leistung gering ist, kann dem Luftverdichter jedoch nicht die benötigte elektrische Leistung geliefert werden. Somit steigt die Spannung der Brennstoffzelle langsam, und die benötigte Leistung für den Motor-Generator kann nicht geliefert werden.
Wenn die erzeugte Leistung niedriger ist als die benötigte Leistung, kann elektrische Leistung aus der Sekundärbatterie verwendet werden. Um den SOC der Sekundärbatterie aufrechtzuerhalten, ist es jedoch bevorzugt, dass die Zufuhr elektrischer Leistung aus der Sekundärbatterie so weit wie möglich vermieden wird.
Angesichts der oben genannten Umstände gibt die Offenbarung ein Brennstoffzellensystem an, das eine Brennstoffzelle und eine Sekundärbatterie schützen kann, während es bewirkt, dass eine erzeugte Leistung einer benötigten Leistung nahekommt, nachdem ein Hilfsmaschinenleistungsverbrauch geendet hat.
Gemäß einem Aspekt der Offenbarung wird ein Brennstoffzellensystem angegeben, das aufweist: eine Brennstoffzelle; eine Sekundärbatterie; einen Motor-Generator, der dafür ausgelegt ist, die Sekundärbatterie mit einer regenerativen Leistung zu laden, wobei der Motor-Generator mit elektrischer Leistung von der Brennstoffzelle und/oder der Sekundärbatterie angetrieben wird; einen Luftverdichter, der dafür ausgelegt ist, Druckluft zu erzeugen, wobei der Luftverdichter mit elektrischer Leistung von der Brennstoffzelle und/oder mit der regenerativen Leistung angetrieben wird; eine Zuführleitung, die dafür ausgelegt ist, die Druckluft zur Brennstoffzelle zu liefern; eine Ausführleitung, die dafür ausgelegt ist, die Druckluft aus der Brennstoffzelle auszuführen; eine Umgehungsleitung, die dafür ausgelegt ist, die Zuführleitung und die Ausführleitung zu verbinden, ein Umgehungsventil, das in der Umgehungsleitung angeordnet ist; und eine Steuereinheit, die dafür ausgelegt ist, einen Hilfsmaschinenleistungsverbrauch durchzuführen, bei dem zumindest ein Teil der regenerativen Leistung zum Luftverdichter geliefert wird, sobald eine benötigte Bedingung erfüllt worden ist, nämlich dass ein Laden der Sekundärbatterie beschränkt ist, wenn die Brennstoffzelle keine elektrische Leistung erzeugt und die regenerative Leistung erzeugt wird, wobei die Steuereinheit dafür ausgelegt ist, während einer Ausführung des Hilfsmaschinenleistungsverbrauchs eine Voraussage dahingehend, ob eine benötigte Ausgangsleistung des Motor-Generators einen positiven Wert haben wird, und eine Bestimmung dahingehend, ob eine Spannung der Brennstoffzelle niedriger ist als eine Sollspannung, zu treffen, die Steuereinheit dafür ausgelegt ist, das Umgehungsventil während der Ausführung des Hilfsmaschinenleistungsverbrauchs auf einen ersten Öffnungsgrad einzustellen, wenn ein Ergebnis der Voraussage und/oder der Bestimmung negativ ist, und die Steuereinheit dafür ausgelegt ist, das Umgehungsventil während der Ausführung des Hilfsmaschinenleistungsverbrauchs auf einen zweiten Öffnungsgrad einzustellen, der kleiner ist als der erste Öffnungsgrad, wenn Ergebnisse von sowohl der Voraussage als auch der Bestimmung positiv sind.
Gemäß dieser Konfiguration nimmt im Vergleich zu einem Fall, wo ein Umgehungsventil während der Ausführung des Hilfsmaschinenleistungsverbrauchs auf den ersten Öffnungsgrad festgelegt ist, eine Strömungsrate der Druckluft, die zur Brennstoffzelle geliefert wird, zu, wenn das Umgehungsventil auf den zweiten Öffnungsgrad eingestellt wird, und somit besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit dafür, dass die Spannung der Brennstoffzelle zu einem Zeitpunkt, zu dem die benötigte Ausgangsleistung für den Motor-Generator ein positiver Wert wird, ein Wert sein wird, welcher der Sollspannung nahekommt. Demgemäß besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit dafür, dass nach dem Zeitpunkt, zu dem die benötigte Ausgangsleistung für den Motor-Generator ein positiver Wert wird, eine Ausgangsleistung nahe der benötigten Ausgangsleistung bereitgestellt wird. Wenn eine Ausgangsleistung nahe der benötigten Ausgangsleistung von der Brennstoffzelle bereitgestellt wird, kann der größte Teil der elektrischen Leistung, die zum Motor-Generator und zum Luftverdichter geliefert wird, durch die Erzeugung von Leistung in der Brennstoffzelle ersetzt werden. Wenn das Ergebnis der Voraussage und/oder Bestimmung negativ ist, wird das Umgehungsventil auf den ersten Öffnungsgrad eingestellt, und somit ist es möglich, ein Fortschreiten der Austrocknung der Brennstoffzelle oder eine Erhöhung des Potentials der Brennstoffzelle im Vergleich zu einem Fall, in dem das Umgehungsventil auf den zweiten Öffnungsgrad festgelegt ist, einzudämmen.
In dem Aspekt kann die Steuereinheit dafür ausgelegt sein, einen Umfang einer Betätigung, die in eine Benutzerschnittstelle zum Manipulieren der benötigten Ausgangsleistung für den Motor-Generator eingegeben wird, für die Voraussage zu verwenden. Gemäß dieser Konfiguration ist es möglich, die Voraussage richtig durchzuführen, wenn das Brennstoffzellensystem in eine Transportmaschine eingebaut ist.
In dem Aspekt kann die Sollspannung einen festen Wert aufweisen. Gemäß dieser Konfiguration sinkt eine Rechenlast für die Bestimmung.
In dem Aspekt kann die Steuereinheit dafür ausgelegt sein, einen vorausgesagten Wert für die benötigte Ausgangsleistung zu bestimmen, wenn vorausgesagt wird, dass die benötigte Ausgangsleistung einen positiven Wert aufweisen wird, kann die Steuereinheit dafür ausgelegt sein, die Sollspannung auf eine erste Spannung einzustellen, wenn der vorausgesagte Wert ein erster positiver Wert ist, und kann die Steuereinheit dafür ausgelegt sein, die Sollspannung auf einen zweiten Spannungswert einzustellen, der größer ist als der erste Spannungswert, wenn der vorausgesagte Wert ein zweiter positiver Wert ist, der größer ist als der erste positive Wert. Gemäß dieser Konfiguration ist es möglich, den Öffnungsgrad des Umgehungsventils durch geeignetes Einstellen der Sollspannung geeigneter auszuwählen.
In dem Aspekt kann das Brennstoffzellensystem in eine Transportmaschine eingebaut sein, und die Steuereinheit kann dafür ausgelegt sein, Routeninformationen für die Voraussage zu verwenden. Gemäß dieser Konfiguration ist es möglich, die Voraussage zutreffend durchzuführen, wenn das Brennstoffzellensystem in eine Transportmaschine eingebaut ist.
In dem Aspekt kann der erste Öffnungsgrad ein maximaler Öffnungsgrad sein. Gemäß dieser Konfiguration nimmt ein Leitungswiderstand der Umgehungsleitung ab, und daher ist es möglich, eine Strömungsrate von Druckluft, die in der Brennstoffzelle strömt, zu verringern, auch wenn die Druckluft in die Brennstoffzelle strömen kann.
In dem Aspekt kann der zweite Öffnungsgrad ein Öffnungsgrad in einem Ventilschließungszustand sein. Gemäß dieser Konfiguration ist es möglich, eine Strömungsrate von Druckluft, die in der Brennstoffzelle strömt, wirksam zu erhöhen.
In dem Aspekt kann das Brennstoffzellensystem ferner aufweisen: ein Einlassventil, das in der Zuführleitung angeordnet ist und das zwischen einer Gabelung der Zuführleitung und der Umgehungsleitung und der Brennstoffzelle liegt; und ein Auslassventil, das in der Ausführleitung angeordnet ist und zwischen einer Gabelung der Ausführleitung und der Umgehungsleitung und der Brennstoffzelle liegt, und die Steuereinheit kann dafür ausgelegt sein, das Einlassventil und/oder das Auslassventil auf einen Ventilschließungszustand einzustellen, wenn das Umgehungsventil während der Ausführung des Hilfsmaschinenleistungsverbrauchs auf den ersten Öffnungsgrad eingestellt ist. Gemäß dieser Konfiguration ist es möglich, eine Strömungsrate von Druckluft, die in der Brennstoffzelle strömt, auf fast null einzustellen, wenn das Ergebnis der Voraussage und/oder Bestimmung negativ ist. Außerdem ist es möglich, ein Fortschreiten der Austrocknung der Brennstoffzelle oder einen Anstieg des Potentials der Brennstoffzelle weiter einzudämmen.
In dem Aspekt kann das Brennstoffzellensystem ferner aufweisen: ein Auslassventil, das in der Ausführleitung angeordnet ist und das zwischen einer Gabelung der Ausführleitung und der Umgehungsleitung und der Brennstoffzelle liegt; die Steuereinheit kann dafür ausgelegt sein, das Auslassventil auf einen Ventilschließungszustand einzustellen, wenn das Umgehungsventil während der Ausführung des Hilfsmaschinenleistungsverbrauchs auf den ersten Öffnungsgrad eingestellt ist, und die Steuereinheit kann dafür ausgelegt sein, das Auslassventil auf einen Ventilöffnungszustand einzustellen, wenn das Umgehungsventil während der Ausführung des Hilfsmaschinenleistungsverbrauchs auf den zweiten Öffnungsgrad eingestellt ist.. Gemäß dieser Konfiguration ist es möglich, einen Strom von Druckluft in die Brennstoffzelle auf einfache Weise zuzulassen oder nicht zuzulassen.
Die Offenbarung kann in verschiedenen Formen ausgeführt werden, die von den oben beschriebenen verschieden sind. Zum Beispiel kann die Erfindung in Form einer Transportmaschine, in die das Brennstoffzellensystem eingebaut ist, eines Ventileinstellverfahrens, eines Programms zur Verwirklichung des Verfahrens, eines nichtflüchtigen Speichermediums, in dem das Programm gespeichert ist, oder dergleichen ausgeführt werden.
Figurenliste
Merkmale, Vorteile und die technische und industrielle Bedeutung von als Beispiele dienenden Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Bezugszahlen gleiche Elemente bezeichnen:

1 ist eine Skizze, die schematisch eine Konfiguration eines elektrischen Systems eines Brennstoffzellensystems darstellt;
2 ist ein Blockdiagramm, das eine logische Ersatzschaltung darstellt, die bestimmt, ob ein Hilfsmaschinenleistungsverbrauch ausgeführt wird;
3 ist ein Schema, das einen Hilfsmaschinenleistungsverbrauch darstellt;
4 ist ein Graph, der schematisch eine Änderung während einer Ausführung eines Hilfsmaschinenleistungsverbrauchs und vor und nach der Ausführung des Hilfsmaschinenleistungsverbrauchs darstellt;
5 ist ein Graph, der schematisch eine Änderung während einer Ausführung eines Hilfsmaschinenleistungsverbrauchs und vor und nach der Ausführung des Hilfsmaschinenleistungsverbrauchs darstellt;
6 ist ein Ablaufschema, das einen Leitungssystemeinstellungsprozess darstellt;
7 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen einer Sollspannung und einem vorausgesagten Wert einer benötigten Ausgangsleistung darstellt;
8 ist ein Ablaufschema, das einen Leitungssystemeinstellungsprozess gemäß einer zweiten Ausführungsform darstellt; und
9 ist ein Ablaufschema, das einen Leitungssystemeinstellungsprozess gemäß einer dritten Ausführungsform darstellt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nun wird eine erste Ausführungsform der Erfindung beschrieben. 1 ist eine Skizze, die schematisch eine Konfiguration eines elektrischen Systems eines Brennstoffzellensystems 10 darstellt. Das Brennstoffzellensystem 10 ist in ein Fahrzeug 1 eingebaut, das eine Routeninformationenausgabevorrichtung 390 und ein Gaspedal 395 aufweist. Die Routeninformationenausgabevorrichtung 390 wird in dieser Ausführungsform nicht verwendet und wird daher weiter unten beschrieben.
Das Brennstoffzellensystem 10 weist eine Brennstoffzelle 100, einen BZ-Hochsetzwandler 110, einen Batteriewandler 120, einen M/G-Wechselrichter 130, einen M/G 140, einen ACP-Wechselrichter 160, einen Luftverdichter 170, eine Sekundärbatterie 200, einen BZ-Hilfsmaschinenwechselrichter 230, eine Wasserstoffpumpe 240, einen Klimaanlagenkompressor 245, eine Kühlmittelpumpe 250, eine Erfassungseinheit 260, eine Steuereinheit 300, einen Gaspedalsensor 310, einen Bremspedalsensor 320 und einen Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 330 auf.
In dieser Ausführungsform werden der Luftverdichter 170, die Wasserstoffpumpe 240 und die Kühlmittelpumpe 250 mit dem Oberbegriff Hilfsmaschine bezeichnet. Der Klimaanlagenkompressor 245 ist mit dem BZ-Hilfsmaschinenwechselrichter 230 verbunden, aber in dieser Ausführungsform nicht in der Hilfsmaschine enthalten.
Die Brennstoffzelle 100 ist eine Festpolymer-Brennstoffzelle, die als Reaktion auf die Zufuhr eines Brenngases und eines Oxidationsgases elektrische Leistung erzeugt..
Der BZ-Hochsetzwandler 110 ist ein Gleichspannungswandler, der eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 100 in eine hohe Spannung umwandelt, die im M/G 140 verwendet werden kann. Der M/G-Wechselrichter 130 wandelt eine Gleichspannung in eine Wechselspannung um und liefert die Wechselspannung zum M/G 140. Der M/G 140 hat eine Funktion eines Motors, der Räder des Fahrzeugs antreibt, und eine Funktion eines Generators, der regenerative Leistung erzeugt.
Der M/G-Wechselrichter 160 wandelt eine hochgesetzte Gleichspannung in eine Wechselspannung um und liefert die Wechselspannung zum Luftverdichter 170. Der Batteriewandler 120 ist ein bidirektionaler Gleichspannungswandler. Das heißt, der Batteriewandler 120 setzt die Spannung der Brennstoffzelle 100 herunter und liefert die heruntergesetzte Spannung zur Sekundärbatterie 200 oder zum BZ-Hilfsmaschinenwechselrichter 230, oder setzt die Spannung der Sekundärbatterie 200 hoch und liefert die hochgesetzte Spannung zum M/G-Wechselrichter 130 und zum ACP-Wechselrichter 160.
Die Sekundärbatterie 200 dient als Leistungsquelle für den M/G 140, die Wasserstoffpumpe 240, die Kühlmittelpumpe 250 und dergleichen. Die Sekundärbatterie 200 wird mit elektrischer Leistung von der Brennstoffzelle 100 oder mit regenerativer Leistung vom M/G 140 geladen. Die Sekundärbatterie 200 ist in dieser Ausführungsform eine Lithiumionen-Sekundärbatterie.
Der BZ-Hilfsmaschinenwechselrichter 230 wandelt eine Gleichspannung in eine Wechselspannung um und liefert die Gleichspannung zur Wasserstoffpumpe 240, zum Klimaanlagenkompressor 245 und zur Kühlmittelpumpe 250.
Die Erfassungseinheit 260 weist einen Batteriesensor 261 und einen Temperatursensor 262 auf. Der Batteriesensor 261 ermittelt einen Strom, eine Spannung und einen SOC der Sekundärbatterie 200. Der Temperatursensor 262 ermittelt eine Batterietemperatur der Sekundärbatterie 200. Der SOC stellt ein Verhältnis einer Menge an verbliebener Leistung zu einer Menge an Leistung bei voller Ladung der Sekundärbatterie 200 dar, wobei ein oberer Grenzwert eines tatsächlichen Nutzungsbereichs auf 100 % eingestellt ist und sein unterer Grenzwert auf 0 % eingestellt ist.
Die Erfassungseinheit 260 kann eine Batteriebelastung der Sekundärbatterie 200 unter Verwendung der ermittelten Werte des Stroms, des SOC und der Batterietemperatur und eines Eingangsstromwerts erfassen. Der Eingangsstromwert ist ein Stromwert, der in die Sekundärbatterie 200 eingegeben wird, wenn die Sekundärbatterie 200 geladen wird. Wenn der Wert des SOC, der Temperatur oder des Eingangsstroms steigt, steigt die Batteriebelastung.
Die Erfassungseinheit 260 kann einen Schwellenwert einer Ladeleistung der Sekundärbatterie 200 unter Verwendung des ermittelten Werts für den SOC und die Batterietemperatur bestimmen.
Die Steuereinheit 300 besteht aus einer elektronischen Steuereinheit (ECU), die eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) und eine Hauptspeichervorrichtung aufweist. Der Gaspedalsensor 310, der einen Umfang erfasst, indem ein Gaspedal 395 niedergedrückt wird, der Bremspedalsensor 320, der einen Umfang erfasst, über den ein Bremspedal (nicht dargestellt) niedergedrückt wird, und der Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 330, der eine Fahrzeuggeschwindigkeit erfasst, sind mit der Steuereinheit 300 verbunden. Das Gaspedal 395 ist eine Benutzerschnittstelle, die eine benötigte Ausgangsleistung für den M/G 140 anfordert. Der Umfang, in dem das Gaspedal 395 niedergedrückt wird, wird auch als Betätigungsumfang des Gaspedals 395 bezeichnet.
Die Steuereinheit 300 steuert Funktionen der Einheiten im Brennstoffzellensystem 10 auf Basis von Erfassungssignalen von verschiedenen Sensoren. In 1 sind Signalwege von der Steuereinheit 300 zu manchen Schaltkreisen als gestrichelte Linien gezeichnet.
Die Steuereinheit 300 führt einen Ladeprozess durch, um die Sekundärbatterie 200 mit regenerativer Leistung zu laden, die vom M/G 140 erzeugt wird. Die Steuereinheit 300 bestimmt einen benötigten Wert für die regenerative Leistung (im Folgenden als benötigte regenerative Leistung bezeichnet) auf Basis einer benötigten Bremskraft. Die benötigte regenerative Leistung wird auf Basis der Fahrzeuggeschwindigkeit, des Umfangs, in dem das Gaspedal 395 niedergedrückt wird, und des Umfangs, in dem das Bremspedal niedergedrückt wird, berechnet. Eine benötigte Ausgangsleistung mit einem negativen Wert wird als benötigte regenerative Leistung bezeichnet, und die benötigte regenerative Leistung kann als benötigte Ausgangsleistung umschrieben werden.
Wenn das Laden der Sekundärbatterie 200 beschränkt ist, verwendet die Steuereinheit 300 die regenerative Leistung so effizient wie möglich. Genauer wird die regenerative Leistung zum Klimaanlagenkompressor 245 geliefert, wenn der Klimaanlagenkompressor 245 elektrische Leistung benötigt.
Wenn der Klimaanlagenkompressor 245 dagegen nicht mit elektrischer Leistung beliefert wird, dann liefert die Steuereinheit 300 die regenerative Leistung zur Hilfsmaschine. Wenn der Klimaanlagenkompressor 245 mit elektrischer Leistung beliefert wird, aber die regenerative Leistung zu viel ist, dann beliefert die Steuereinheit 300 die Hilfsmaschine mit der überschüssigen Leistung.
Die elektrische Leistung, die zur Hilfsmaschine geliefert wird, wird nicht effizient genutzt, sondern wird schließlich in die Luft abgeführt. Die Abführung der regenerativen Leistung auf diese Weise wird als Hilfsmaschinenleistungsverbrauch bezeichnet. Der Ausdruck „Abführung von elektrischer Leistung“ schließt die Bedeutung, dass die Hilfsmaschine mit elektrischer Leistung beliefert wird, aber eine Menge an Leistung, die von der Brennstoffzelle 100 erzeugt wird, null ist, zusätzlich zu der Bedeutung ein, dass kein Laden der Sekundärbatterie 200 ausgeführt wird. Wenn die regenerative Leistung zu viel ist, ist die benötigte Ausgangsleistung für die Brennstoffzelle 100 im Allgemeinen null und somit ist die erzeugte Leistung ebenfalls null.
2 ist ein Blockdiagramm, das eine logische Ersatzschaltung 400 darstellt, die bestimmt, ob während einer Regeneration eine Forderung nach einem Hilfsmaschinenleistungsverbrauch vorliegt. Die logische Ersatzschaltung 400 weist AND-Elemente 410, 420 und 430 mit zwei Eingängen und ein OR-Element 440 mit drei Eingängen auf. Flags werden hierin verwendet wie folgt.
(1) Ein Bremsforderungs-Flag Frq ist ein Flag, das auf 1 gesetzt wird, wenn bestimmt wird, dass ein Bremsen notwendig ist, und das auf 0 gesetzt wird, wenn kein Bremsen notwendig ist, und zwar auf Basis des Umfangs, in dem das Gaspedal 395 niedergedrückt wird, und des Umfangs, in dem das Bremspedal niedergedrückt wird, oder auf Basis von Änderungsraten der Betätigungsumfänge.
(2) Ein Fahrzeuggeschwindigkeitsbestimmungs-Flag Fv ist ein Flag, das auf 1 gesetzt wird, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit V mindestens so hoch ist wie ein vorgegebener Fahrzeuggeschwindigkeitsschwellenwert Vth, und das auf 0 gesetzt wird, wenn die Fahrzeuggeschwindigkeit V niedriger ist als der Fahrzeuggeschwindigkeitsschwellenwert Vth.
(3) Ein SOC-Bestimmungs-Flag Fs ist ein Flag, das auf 1 gesetzt wird, wenn der SOC der Sekundärbatterie 200 mindestens so hoch ist wie ein vorgegebener SOC-Schwellenwert SOCt, und das auf 0 gesetzt wird, wenn der SOC niedriger ist als der SOC-Schwellenwert SOCt. Wenn der SOC der Sekundärbatterie 200 mindestens so hoch ist wie der Schwellenwert SOCt, ist die Sekundärbatterie 200 nahe an einem voll geladenen Zustand. Der SOC-Schwellenwert SOCt ist ein Schwellenwert zur Vermeidung eines Ladens, wenn der SOC der Sekundärbatterie 200 mindestens so hoch ist wie der Schwellenwert SOCt.
(4) Ein Ladeleistungsbestimmungs-Flag Fwa ist ein Flag, das auf 1 gesetzt wird, wenn die Ladeleistung Win der Sekundärbatterie 200 mindestens so hoch ist wie ein vorgegebener erster Win-Schwellenwert Wa, und das auf 0 gesetzt wird, wenn die Ladeleistung Win niedriger ist als der erste Win-Schwellenwert Wa. Wenn die Ladeleistung Win mindestens so hoch ist wie der Schwellenwert Wa, ist eine Menge an regenerativer Leistung, um einen Bremskraftbedarf zu decken, groß. Der erste Win-Schwellenwert Wa ist ein Schwellenwert für die Erhöhung der regenerativen Leistung, wenn die Ladeleistung Win mindestens so hoch ist der Schwellenwert Wa.
(5) Ein Batteriebelastungsbestimmungs-Flag Fd ist ein Flag, das auf 1 gesetzt wird, wenn eine Batteriebelastung L der Sekundärbatterie 200 mindestens so hoch ist wie ein vorgegebener Lastschwellenwert Lb, und das auf 0 gesetzt wird, wenn die Batteriebelastung L kleiner ist als der Lastschwellenwert Lb. Der Lastschwellenwert Lb kann so eingestellt werden, dass eine Zeit, zu der das Batteriebelastungsbestimmungs-Flag Fd von 0 auf 1 hochgesetzt wird, früher kommt als eine Zeit, zu der das Ladeleistungsbestimmungs-Flag Fwa von 0 auf 1 hochgesetzt wird.
(6) Ein Ladeleistungsbestimmungs-Flag Fwb ist ein Flag, das auf 1 gesetzt wird, wenn die Ladeleistung Win der Sekundärbatterie 200 mindestens so hoch ist wie ein vorgegebener zweiter Win-Schwellenwert Wb, und das auf 0 gesetzt wird, wenn die Ladeleistung Win niedriger ist als der zweite Win-Schwellenwert Wb. Wenn die Ladeleistung Win niedriger ist als der Schwellenwert Wb, ist die Menge an regenerativer Leistung, um einen Bremskraftbedarf zu decken, klein. Der zweite Win-Schwellenwert Wb ist ein Schwellenwert für die Verringerung der regenerativen Leistung, wenn die Ladeleistung Win kleiner ist als der Schwellenwert Wb. Der zweite Win-Schwellenwert Wb ist niedriger als der erste Win-Schwellenwert Wa. Die beiden Win-Schwellenwerte Wa und Wb können abhängig vom SOC und der Batterietemperatur der Sekundärbatterie 200 eingestellt werden. In diesem Fall können die Win-Schwellenwerte Wa und Wb so eingestellt werden, dass sie niedriger werden, wenn der SOC höher wird, und die Win-Schwellenwerte Wa und Wb können so eingestellt werden, dass sie niedriger werden, wenn die Batterietemperatur steigt.
Das Bremsforderungs-Flag Frq und das Fahrzeuggeschwindigkeitsbestimmungs-Flag Fv werden in das AND-Element 410 mit den zwei Eingängen eingegeben. Das Batteriebelastungsbestimmungs-Flag Fd und das Ladeleistungsbestimmungs-Flag Fwb werden in das AND-Element 430 mit den zwei Eingängen eingegeben. Das SOC-Bestimmungs-Flag Fs, das Ladeleistungsbestimmungs-Flag Fwa und eine Ausgabe Q430 des AND-Elements 430 mit den zwei Eingängen werden in das OR-Element 440 mit den drei Eingängen eingegeben. Eine Ausgabe Q410 des AND-Elements 410 mit den zwei Eingängen und eine Ausgabe Q440 des OR-Elements 440 mit den drei Eingängen werden in das AND-Element 420 mit den zwei Eingängen eingegeben. Eine Ausgabe Q420 des AND-Elements 420 mit den zwei Eingängen ist ein Wert, der angibt, ob eine Forderung nach einem Hilfsmaschinenleistungsverbrauch vorliegt.
In dieser Ausführungsform werden beispielsweise dann, wenn gleichzeitig vier Bedingungen erfüllt sind, nämlich dass das Bremsforderungs-Flag Frq auf 1 steht, dass das Fahrzeuggeschwindigkeitsbestimmungs-Flag Fv auf 1 steht, dass das Batteriebelastungsbestimmungs-Flag Fd auf 1 steht und dass das Ladeleistungsbestimmungs-Flag Fw auf 1 steht, die Ausgabe Q410 (=1) des AND-Elements 410 mit den zwei Eingängen und die Ausgabe Q440 des OR-Elements 440 mit den drei Eingängen (=1), in das die Ausgabe Q430 (=1) des AND-Elements 430 mit den zwei Eingängen eingegeben wird, in das AND-Element 420 mit den zwei Eingängen eingegeben. Demgemäß ist die Ausgabe Q420 des AND-Elements 420 mit den zwei Eingängen ein Wert (=1), der eine Forderung nach einem Hilfsmaschinenleistungsverbrauch angibt.
Wie oben beschrieben, ist eine notwendige Bedingung dafür, dass bewirkt wird, dass der Wert, der eine Forderung nach einem Hilfsmaschinenleistungsverbrauch angibt, 1 ist, dass die Ausgabe Q440 1 ist. Wenn die Ausgabe Q440 1 ist, bezeichnet dies einen Zustand, in dem ein Laden der Sekundärbatterie 200 beschränkt ist.
3 ist ein Schema, das eine Konfiguration für einen Hilfsmaschinenleistungsverbrauch darstellt. Das Brennstoffzellensystem 10 weist zusätzlich ein Leitungssystem 500, einen Nachkühler 251, einen Kühlkörper 252 und einen Ventilator 253 auf. Der Nachkühler wird auch als Zwischenkühler bezeichnet. Das Leitungssystem 500 weist eine Zuführleitung 510, ein Einlass-Shunt-Ventil 520, ein Druckregelungsventil 530, eine Ausführleitung 540, eine Umgehungsleitung 550 und ein Umgehungsventil 560 auf.
Wenn ein Hilfsmaschinenleistungsverbrauch durchgeführt wird, liefert die Steuereinheit 300 den größten Teil der regenerativen Leistung zum Luftverdichter 170. Der Grund dafür ist, dass der Luftverdichter 170 einen höheren Leistungsverbrauch hat als die Wasserstoffpumpe 240 und die Kühlmittelpumpe 250, die weitere Hilfsmaschinen sind, und leicht als Lieferziel für die regenerative Leistung verwendet werden kann. Wenn der Luftverdichter 170 mit elektrischer Leistung beliefert wird, wird Druckluft (im Folgenden einfach als Luft bezeichnet) erzeugt. Wenn ein Hilfsmaschinenleistungsverbrauch durchgeführt wird, wird ein Teil der regenerativen Leistung zur Kühlmittelpumpe 250 geliefert, um die Luft zu kühlen.
Der größte Teil der Leistung, die zum Luftverdichter 170 geliefert wird, wird in innere Energie und in kinetische Energie der Luft umgewandelt. Ein Teil der inneren Energie wird über den Nachkühler 251 und den Kühlkörper 252 in die Atmosphäre abgeführt. Die andere Energie wird zusammen mit der Luft über die Ausführleitung 540 in die Atmosphäre abgeführt.
Wenn ein Hilfsmaschinenleistungsverbrauch durchgeführt wird, schließt die Steuereinheit 300 das Druckregelventil 530 und öffnet das Umgehungsventil 560, so dass der Öffnungsgrad maximiert wird. Der Öffnungsgrad ist definiert als ein erster Öffnungsgrad. In der folgenden Beschreibung wird dieser EIN-AUS-Zustand der Ventile als „erster Zustand des Leitungssystems 500“ oder einfach als „erster Zustand“ bezeichnet. Im ersten Zustand wird Luft, die vom Luftverdichter 170 geliefert wird, nicht zur Brennstoffzelle 100 geliefert und wird über die Umgehungsleitung 550 in die Atmosphäre abgeführt. Das Einlass-Shunt-Ventil 520 wird in dieser Ausführungsform im ersten Zustand geöffnet. Das Einlass-Shunt-Ventil 520 kann in einem anderen Beispiel im ersten Zustand geschlossen werden.
Wenn dagegen Luft zur Brennstoffzelle 100 geliefert wird, öffnet die Steuereinheit 300 das Einlass-Shunt-Ventil 520 und das Druckregelventil 530 und schließt das Umgehungsventil 560. Der Öffnungsgrad, um diesen Ventilschließungszustand zu verwirklichen, ist als zweiter Öffnungsgrad definiert. Der zweite Öffnungsgrad ist kleiner als der erste Öffnungsgrad. In der folgenden Beschreibung ist der EIN-AUS-Zustand der Ventile als zweiter Zustand definiert. Im Allgemeinen wird das Einstellen des zweiten Zustands für die Erzeugung von Leistung durch die Brennstoffzelle 100 durchgeführt.
Sowohl im ersten Zustand als auch im zweiten Zustand wird Luft durch den Nachkühler 251 gekühlt. Der Nachkühler 251 übt eine Kühlfunktion unter Verwendung eines Kühlmittels aus, das von der Kühlmittelpumpe 250 umgewälzt wird. Das Kühlmittel wird gekühlt, indem es den Kühlkörper 252 durchläuft. Der Ventilator 253 unterstützt die Kühlung des Kühlmittels durch Zuführen von Wind zum Kühlkörper 252.
Die Steuereinheit 300 sendet ein Ansteuerungssignal an die Kühlmittelpumpe 250 und den Ventilator 253, um eine Kühlung der Luft zu verwirklichen. Der Ventilator 253 wird mit elektrischer Leistung von einer nicht dargestellten Niederspannungsleistungsquelle (genauer einem Bleiakku) beliefert. Das Kühlmittel zirkuliert auch in der Brennstoffzelle 100, um die Brennstoffzelle 100 zu kühlen.
4 und 5 sind Graphen, die schematisch einen Zustand darstellen, in dem sich verschiedene Parameter während einer Ausführung eines Hilfsmaschinenleistungsverbrauchs und vor und nach der Ausführung des Hilfsmaschinenleistungsverbrauchs ändern. In 4 und 5 ist ein Vergleichsbeispiel durch eine gestrichelte Linie angegeben.
Eine Sollspannung Vtgt2, die in 5 dargestellt ist, wird in der ersten Ausführungsform nicht verwendet, wird aber in einer zweiten Ausführungsform verwendet. Wie oben beschrieben, wird die regenerative Leistung während der Ausführung des Hilfsmaschinenleistungsverbrauchs auch zur Kühlmittelpumpe 250 geliefert, aber der Leistungsverbrauch der Kühlmittelpumpe 250 ist gering und somit wird die Leistung für die Kühlmittelpumpe 250 in der folgenden Beschreibung ignoriert.
Eine benötigte Ausgangsleistung (W), die von der vertikalen Achse in dem Graphen dargestellt wird, bezeichnet eine benötigte Ausgangsleistung für den M/G 140, wenn sie einen positiven Wert hat, und bezeichnet eine benötigte regenerative Leistung, wenn sie einen negativen Wert hat. In dieser Ausführungsform wird angenommen, dass die Ausgangsleistung und die benötigte regenerative Leistung des M/G 140 ohne Fehler verwirklicht werden. Eine gestrichelte Linie, die ein Vergleichsbeispiel für die benötigte Ausgangsleistung angibt, bezeichnet eine tatsächliche Ausgangsleistung, nicht die benötigte Ausgangsleistung. In dem Vergleichsbeispiel ist die benötigte Ausgangsleistung der gleiche Wert wie in dieser Ausführungsform.
Das Flag, das von der vertikalen Achse in dem Graphen dargestellt wird, bezeichnet einen Wert der Ausgabe Q420, der eine Forderung nach einem Hilfsmaschinenleistungsverbrauch angibt. Die ACP-Leistung (W) bezeichnet elektrische Leistung, die zum Luftverdichter 170 geliefert wird. Die BZ-Spannung ist eine Spannung, die von der Brennstoffzelle 100 erzeugt wird. Der BZ-Strom ist ein Strom, der von der Brennstoffzelle 100 erzeugt wird. Die BZ-Luftströmungsrate (Nl/min) ist eine Strömungsrate von Luft, die in der Brennstoffzelle 100 strömt.
Eine Hochpotentialvermeidungsspannung Vmax, die durch den Graphen der BZ-Spannung dargestellt wird, bezeichnet einen oberen Grenzwert, der eingestellt wird, um eine Beschädigung der Brennstoffzelle 100 zu vermeiden.
In dem Graphen, der in der Zeichnung dargestellt ist, wird das Gaspedal 395 vor einem Zeitpunkt t1 niedergedrückt. Demgemäß wird eine Leistungserzeugung in der Brennstoffzelle 100 durchgeführt und die erzeugte Leistung wird zum M/G 140 und zum Luftverdichter 170 geliefert. Vor dem Zeitpunkt t1 wird der Ventil-EIN-AUS-Zustand auf den zweiten Zustand eingestellt, um eine Leistungserzeugung durchzuführen. Demgemäß strömt Luft in die Brennstoffzelle 100. Wenn die Öffnungsgrade des Umgehungsventils 560 und des Druckregelventils 530 null sind, bezeichnet dies den Ventilschließungszustand.
Zum Zeitpunkt t1 nimmt der Umfang, in dem das Gaspedal 395 niedergedrückt wird, rasch ab, und der Betätigungsumfang wird schließlich null. Demgemäß beginnt die benötigte Ausgangsleistung zum Zeitpunkt t1 zu sinken. Damit beginnen die ACP-Leistung, die BZ-Spannung und der BZ-Strom jeweils zu sinken.
Der Graph, der in der Zeichnung dargestellt ist, veranschaulicht einen Fall, in dem angenommen wird, dass das Fahrzeug zum Zeitpunkt t1 bergab zu fahren beginnt und dann schließlich mit einer konstanten Geschwindigkeit bergab fährt.. Demgemäß wird zu einem Zeitpunkt nach dem Zeitpunkt t1 die benötigte Ausgangsleistung ein negativer Wert und wird schließlich konstant. Ein Zeitpunkt, zu dem die benötigte Ausgangsleistung null wird, ist ein Zeitpunkt t2.
In dem Graphen der in der Zeichnung dargestellt ist, wird das Flag auf 1 gesetzt, wenn die benötigte Ausgangsleistung einen negativen Wert aufweist, und wird auf 0 gesetzt, wenn die benötigte Ausgangsleistung einen positiven Wert aufweist. Demgemäß wird zum Zeitpunkt t2 der Hilfsmaschinenleistungsverbrauch gestartet.
Wenn ein Hilfsmaschinenleistungsverbrauch gestartet wird, wird die regenerative Leistung zum Luftverdichter 170 geliefert. Das Leitungssystem 500 wird in den ersten Zustand versetzt. Das Druckregelventil 530 wird etwas nach dem Zeitpunkt geschlossen, zu dem das Flag auf 1 gesetzt wird. Der Grund dafür ist, dass dann, wenn sowohl das Umgehungsventil 560 als auch das Druckregelventil 530 einen Zeitraum zum Schließen der Ventile haben, ein Ziel für die Luft in dem Zeitraum verschwindet und somit aus Sicherheitsgründen für eine Zeitdifferenz gesorgt wird. Im ersten Zustand ist die BZ-Luftströmungsrate null.
Der BZ-Strom sinkt mit einer Abnahme der Leistung, die zum M/G 140 und zum Luftverdichter 170 geliefert wird, und wird so gesteuert, dass er zu einem Zeitpunkt t2, zu dem die gelieferte Leistung null wird, null wird. Die BZ-Spannung sinkt langsam mit einer Abnahme der BZ-Luftströmungsrate nach dem Zeitpunkt t1.
6 ist ein Ablaufschema, das einen Leitungssystemeinstellungsprozess darstellt. Die Steuereinheit 300 speichert ein Programm für die Durchführung des Leitungssystemeinstellungsprozesses. Wenn ein Hilfsmaschinenleistungsverbrauch gefordert wird, stellt die Steuereinheit 300 zuerst den ersten Zustand ein und startet dann den Leitungssystemeinstellungsprozess. Wenn die Forderung nach dem Hilfsmaschinenleistungsverbrauch endet, beendet die Steuereinheit 300 den Leitungssystemeinstellungsprozess.
Zuerst berechnet die Steuereinheit 300 einen vorausgesagten Wert einer benötigten Ausgangsleistung (S710). Wenn in S710 vorausgesagt wird, dass eine benötigte Ausgangsleistung höchstens null beträgt, bedeutet das lediglich, dass die benötigte Ausgangsleistung höchstens null ist, und es wird kein spezifischer Zahlenwert dafür vorausgesagt. Wenn dagegen eine benötigte Ausgangsleistung mit einem positiven Wert vorausgesagt wird, dann wird ein spezifischer Zahlenwert vorausgesagt.
In dieser Ausführungsform wird der vorausgesagte Wert auf Basis eines Umfangs berechnet, in dem das Gaspedal 395 niedergedrückt wird (im Folgenden bezeichnet Betätigungsumfang einen Umfang, in dem das Gaspedal 395 niedergedrückt wird). Wenn der Betätigungsumfang null ist, wird vorausgesagt, dass die benötigte Ausgangsleistung höchstens null ist. Wenn der Betätigungsumfang größer ist als null, wird aufgrund einer Beziehung mit einer Fahrzeuggeschwindigkeit oder dergleichen vorausgesagt, dass die benötigte Ausgangsleistung ein positiver Wert ist, oder es wird vorausgesagt, dass sie höchstens null ist.
Dann bestimmt die Steuereinheit 300, ob der vorausgesagte Wert der benötigten Ausgangsleistung positiv ist (S720). Wenn der vorausgesagte Wert der benötigten Ausgangsleistung höchstens null ist (NEIN in Schritt S720), dann stellt die Steuereinheit 300 den ersten Zustand ein (S750). Das heißt, der Hilfsmaschinenleistungsverbrauch wird normalerweise ständig durchgeführt. Danach kehrt der Prozess zu S710 zurück.
In dem Graphen, der in der Zeichnung dargestellt ist, ist der Betätigungsumfang bis zum Zeitpunkt t3 null. Demgemäß ist ab dem Zeitpunkt t2, zu dem der Hilfsmaschinenleistungsverbrauch gestartet wird, bis zum Zeitpunkt t3 das Bestimmungsergebnis von S720 NEIN, und der erste Zustand wird beibehalten.
In dem Graphen, der in der Zeichnung dargestellt ist, wird das Gaspedal 395 zum Zeitpunkt t3 niedergedrückt. Infolgedessen berechnet die Steuereinheit 300 eine benötigte Ausgangsleistung mit einem positiven Wert als vorausgesagten Wert zum Zeitpunkt t3 (S710). In 4 ist die benötigte Ausgangsleistung Ptgt als die berechnete benötigte Ausgangsleistung dargestellt. Eine Änderung der benötigten Ausgangsleistung wird in Bezug auf eine Änderung des Betätigungsumfangs verzögert. Dies soll eine rasche Beschleunigung vermeiden. Der Grund dafür, dass eine Bestimmung der benötigten Ausgangsleistung Ptgt als Voraussage ausgedrückt wird, ist, dass die benötigte Ausgangsleistung Ptgt zu dem Zeitpunkt, zu dem der Betätigungsumfang bestimmt worden ist, eine in der Zukunft benötigte Ausgangsleistung ist.
Wenn in S710 eine benötigte Ausgangsleistung mit einem positiven Wert als vorausgesagter Wert berechnet wird, bestimmt die Steuereinheit 300, dass das Bestimmungsergebnis von S720 JA ist, und führt dann S730 durch. Bei S730 bestimmt die Steuereinheit 300 eine Sollspannung Vtgtl.
7 ist ein Graph, der schematisch eine Beziehung zwischen der Sollspannung Vtgtl und dem vorausgesagten Wert der benötigten Ausgangsleistung Ptgt darstellt; Eine durchgezogene Linie stellt diese Ausführungsform dar, und eine gestrichelte Linie stellt ein anderes Beispiel dar. Die Sollspannung Vtgtl in dieser Ausführungsform wird so bestimmt, dass sie mit einem Anstieg des vorausgesagten Werts der benötigten Ausgangsleistung Ptgt monoton ansteigt.
Wenn beispielsweise, wie in 7 dargestellt, die benötigte Ausgangsleistung einen ersten positiven Wert P1 hat, dann wird die Sollspannung auf einen ersten Spannungswert V1 eingestellt. Wenn die benötigte Ausgangsleistung einen zweiten positiven Wert P2 hat, der höher ist als der erste positive Wert P1, dann wird die Sollspannung auf einen zweiten Spannungswert V2 eingestellt, der höher ist als der erste Spannungswert V1.
In dem anderen Beispiel, das in der Zeichnung dargestellt ist, ist die Beziehung zwischen dem vorausgesagten Wert der benötigten Ausgangsleistung und der Sollspannung, wenn zwei Punkte auf diese Weise genommen werden, die gleiche wie in dieser Ausführungsform. Jedoch gibt es in dem anderen Beispiel einen Abschnitt, in dem sich die Sollspannung Vtgtl trotz einer Vergrößerung des vorausgesagten Werts der benötigten Ausgangsleistung nicht ändert. Das heißt, die Beziehung zwischen der Sollspannung Vtgtl und dem vorausgesagten Wert der benötigten Ausgangsleistung Ptgt in dem anderen Beispiel ist eine monotone Steigerung in einem weiten Sinne.
Dann bestimmt die Steuereinheit 300, ob die BZ-Spannung niedriger ist als die Sollspannung Vtgtl (S740). Wenn die BZ-Spannung mindestens so hoch ist wie die Sollspannung Vtgtl (NEIN in S740), stellt die Steuereinheit in S750 den ersten Zustand ein.
Wenn dagegen die BZ-Spannung niedriger ist als die Sollspannung Vtgtl (JA in S740), dann stellt die Steuereinheit in S760 den zweiten Zustand ein.
In dem Graphen, der in der Zeichnung dargestellt ist, ist die BZ-Spannung zu einem Zeitpunkt t3 niedriger als die Sollspannung Vtgtl, und daher wird zum Zeitpunkt t3 S760 durchgeführt. Demgemäß beginnt zum Zeitpunkt t3 Luft rasch in die Brennstoffzelle 100 zu strömen. Infolgedessen wird eine Erhöhung der BZ-Spannung gestartet. Hier erreicht die BZ-Luftströmungsrate unmittelbar nach dem Zeitpunkt t3 einen Spitzenwert und sinkt dann langsam mit der Abnahme der ACP-Leistung. Der Grund für die Abnahme der ACP-Leistung ist, dass die benötigte Ausgangsleistung null wird und somit die regenerative Leistung sinkt.
Zum Zeitpunkt t4 wird die benötigte Ausgangsleistung null. Infolgedessen wird das Flag null und der Hilfsmaschinenleistungsverbrauch endet. Wenn der Hilfsmaschinenleistungsverbrauch endet, beendet die Steuereinheit 300 den Leitungssystemeinstellungsprozess.
In dem Graphen, der in der Zeichnung dargestellt ist, erreicht die BZ-Spannung zum Zeitpunkt t4 die Sollspannung Vtgtl. Auch wenn die Leistung, die zum Luftverdichter 170 geliefert wird, zum Zeitpunkt t4 momentan null wird, wird die BZ-Luftströmungsrate trägheitsbedingt nicht sofort null. Demgemäß kann der BZ-Strom ab dem Zeitpunkt t4 steigen.
Infolgedessen kann die Brennstoffzelle 100 elektrische Leistung erzeugen, um die benötigte Ausgangsleistung zu verwirklichen. Die elektrische Leistung für die Verwirklichung der benötigten Ausgangsleistung ist eine elektrische Leistung, die mindestens so hoch ist wie eine Summe einer elektrischen Leistung, die zum M/G 140 geliefert wird, und einer elektrischen Leistung, die zum Luftverdichter 170 geliefert wird. Demgemäß ist es in dieser Ausführungsform möglich, die benötigte Ausgangsleistung zu verwirklichen, ohne eine Zufuhr von Leistung aus der Sekundärbatterie 200 zu nutzen, nachdem der Hilfsmaschinenleistungsverbrauch geendet hat.
Nachstehend wird ein Vergleichsbeispiel beschrieben. Das Vergleichsbeispiel ist dieser Ausführungsform gleich, insofern als keine Leistungszufuhr aus der Sekundärbatterie durchgeführt wird. Andererseits unterscheidet sich das Vergleichsbeispiel von dieser Ausführungsform darin, dass der Leitungssystemeinstellungsprozess nicht durchgeführt wird. Somit wird der erste Zustand während der Ausführung des Hilfsmaschinenleistungsverbrauchs beibehalten. In dem Graphen, der in der Zeichnung dargestellt ist, wird der erste Zustand von einem Zeitpunkt t2 bis zu einem Zeitpunkt t4 beibehalten, und der zweite Zustand wird nach dem Zeitpunkt t4 gesetzt.
Demgemäß sinkt in dem Vergleichsbeispiel die BZ-Spannung kontinuierlich ab dem Zeitpunkt t3. Zum Zeitpunkt t4 ist die BZ-Spannung zu niedrig und somit kann der BZ-Strom nicht verstärkt werden. Infolgedessen ist die elektrische Leistung, die von der Brennstoffzelle 100 erzeugt wird, geringer als die elektrische Leistung, um die benötigte Ausgangsleistung zu verwirklichen. Das heißt, da eine Zunahme der BZ-Spannung zur Erhöhung der erzeugten Leistung notwendig ist, wird nur wenig erzeugte Leistung zum Luftverdichter 170 geliefert. Somit ist die elektrische Leistung, die zum M/G 140 geliefert wird, viel geringer als die benötigte Leistung.
Da die elektrische Leistung, die zum Luftverdichter geliefert wird, unmittelbar nach dem Zeitpunkt t4 gering ist, steigt die BZ-Luftströmungsrate nur langsam, und die BZ-Spannung steigt ebenfalls nur langsam. Infolgedessen ist die erzeugte Leistung vom Zeitpunkt t4 bis zum Zeitpunkt t5 geringer als die benötigte Leistung.
Gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform ist es möglich, die benötigte Ausgangsleistung unmittelbar nach Beendigung des Hilfsmaschinenleistungsverbrauchs zu verwirklichen, ohne eine Leistungszufuhr aus der Sekundärbatterie 200 durchführen zu müssen. Somit ist es möglich, den SOC der Sekundärbatterie 200 aufrechtzuerhalten und die Verschlechterung der Sekundärbatterie 200, die durch eine Änderung des SOC bewirkt wird, zu verzögern.
Wie oben beschrieben, gibt es zwei Gründe dafür, dass die benötigte Ausgangsleistung unmittelbar nach der Beendigung des Hilfsmaschinenleistungsverbrauchs verwirklicht werden kann, ohne eine Leistungszufuhr aus der Sekundärbatterie 200 durchführen zu müssen. Der erste Grund ist, dass ein Teil der Energie, die im Stand der Technik abgeführt wird, effizient in Form einer Erhöhung der BZ-Spannung genutzt wird. Der zweite Grund ist, dass man sich die Tatsache zunutze macht, dass die benötigte Ausgangsleistung ab einem Zeitpunkt, zu dem das Gaspedal niedergedrückt wird, für kurze Zeit einen negativen Wert aufweist, wenn das Gaspedal während einer Ausführung des Hilfsmaschinenleistungsverbrauchs niedergedrückt wird, und dass ein zeitlicher Spielraum besteht, bis die benötigte Ausgangsleistung, die auf Basis des Betätigungsumfangs berechnet wird, tatsächlich benötigt wird.
In dieser Ausführungsform wird eine Lithiumionenbatterie verwendet, und daher ist die maximale Ausgangsleistung der Sekundärbatterie 200 auf einen niedrigen Wert beschränkt, um eine Verschlechterung der Sekundärbatterie 200 zu verlangsamen. Somit trägt der Vorteil, dass ein Zustand vermieden werden kann, in dem die von der Brennstoffzelle 100 erzeugte Leistung niedriger ist als die benötigte Ausgangsleistung, sehr zu einem guten Fahrverhalten bei.
In dieser Ausführungsform ist die Häufigkeit, mit welcher der zweite Zustand eingerichtet wird, durch Kombinieren der Voraussage der benötigten Ausgangsleistung in S710 und der Bestimmung der Spannung in S730 minimiert.. Somit kann verhindert werden, dass die BZ-Spannung die Hochpotentialvermeidungsspannung Vmax erreicht oder dass eine Austrocknung der Brennstoffzelle 100 fortschreitet.
Nachstehend wird eine zweite Ausführungsform beschrieben. In der zweiten Ausführungsform werden hauptsächlich Unterschiede zur ersten Ausführungsform beschrieben. Punkte, die nicht besonders beschrieben werden, sind solchen der ersten Ausführungsform gleich.
8 ist ein Ablaufschema, das einen Leitungssystemeinstellungsprozess gemäß einer zweiten Ausführungsform darstellt. Zuerst bestimmt die Steuereinheit 300, ob die BZ-Spannung niedriger ist als eine Sollspannung Vtgt2 (S705). Die Sollspannung Vtgt2 ist ein fester Wert. Die Sollspannung Vtgt2 wird vorab als Wert bestimmt, der kleiner ist als die Hochpotentialvermeidungsspannung Vmax, wie in 5 dargestellt.
Wenn die BZ-Spannung mindestens so hoch ist wie die Sollspannung Vtgt2 (NEIN in S705), stellt die Steuereinheit 300 den ersten Zustand ein (S750).
Wenn dagegen die BZ-Spannung niedriger ist als die Sollspannung Vtgt2 (JA in S705), dann führt die Steuereinheit 300 S710 und S720 durch, wie in der ersten Ausführungsform beschrieben. Wenn das Bestimmungsergebnis von S720 NEIN ist, dann stellt die Steuereinheit 300 den ersten Zustand ein. Wenn das Bestimmungsergebnis von S720 JA ist, dann stellt die Steuereinheit 300 den zweiten Zustand ein.
Gemäß dieser Ausführungsform, die oben beschrieben wurde, wurde keine Berechnung für eine Änderung der Sollspannung durchgeführt.
Nachstehend wird eine dritte Ausführungsform beschrieben. In der dritten Ausführungsform werden hauptsächlich Unterschiede zur ersten Ausführungsform beschrieben. Punkte, die nicht besonders beschrieben werden, sind solchen der ersten Ausführungsform gleich.
9 ist ein Ablaufschema, das einen Leitungssystemeinstellungsprozess gemäß der dritten Ausführungsform darstellt. Die dritte Ausführungsform ist der ersten Ausführungsform gleich, mit der Ausnahme, dass S715 statt S710 in der ersten Ausführungsform durchgeführt wird.
Bei S715 berechnet die Steuereinheit 300 einen vorausgesagten Wert der benötigten Ausgangsleistung auf Basis von Routeninformationen. Die Steuereinheit 300 ermittelt Routeninformationen aus der Routeninformationenausgabevorrichtung 390. Die Routeninformationenausgabevorrichtung 390 ermittelt einen aktuellen Ort unter Verwendung eines GNSS und gibt Routeninformationen auf einer geplanten Fahrroute aus.
Die Routeninformationen beinhalten Informationen, die sich auf die benötigte Ausgangsleistung auswirken können. Informationen, die sich auf die benötigte Ausgangsleistung auswirken können, sind beispielsweise ein Straßengefälle oder ein Krümmungsradius einer Straße, die eine Kurve beschreibt. Die Steuereinheit 300 berechnet die benötigte Ausgangsleistung durch Kombinieren dieser Informationen. In der dritten Ausführungsform wird ein Betätigungsumfang nicht für die Berechnung der benötigten Ausgangsleistung berücksichtigt. In einer anderen Ausführungsform kann der Betätigungsumfang für die Berechnung der benötigten Ausgangsleistung berücksichtigt werden.
Wenn das Fahrzeug beispielsweise auf einer Straße fährt, die rasch von einer Abwärtsneigung in eine Steigung übergeht, sagt die Steuereinheit 300 voraus, dass sich die benötigte Ausgangsleistung von einem negativen Wert in einen positiven Wert ändern wird, bevor sich ein Gradient von der Abwärtsneigung in die Steigung ändert.
Alternativ dazu wird beispielsweise dann, wenn eine Schnellstraße eine Kurve beschreibt und dann gerade verläuft, vorausgesagt, dass die benötigte Ausgangsleistung von einem negativen Wert auf einen positiven Wert wechseln wird, bevor die Kurve endet. Gemäß dieser Ausführungsform ist es möglich, eine Voraussage zutreffender durchzuführen.
Die Offenbarung ist nicht auf die oben genannten Ausführungsformen beschränkt und kann in verschiedenen Konfigurationen ausgeführt werden, ohne von ihrem Wesen abzuweichen. Zum Beispiel können technische Merkmale in den Ausführungsformen, die technischen Merkmalen in den Aspekten entsprechen, die unter KURZFASSUNG DER ERFINDUNG offenbart werden, auf geeignete Weise ausgetauscht oder kombiniert werden, um einige oder alle von den oben genannten Aufgaben zu erfüllen oder einige oder alle von den oben genannten Wirkungen zu erzielen. Die technischen Merkmale können geeigneterweise weggelassen werden, wenn sie in dieser Patentschrift nicht als wesentlich beschrieben wurden. Zur Erläuterung werden die folgenden Beispiele angegeben.
Der erste Öffnungsgrad des Umgehungsventils 560 muss nicht der maximale Öffnungsgrad sein und kann beispielsweise ein Öffnungsgrad sein, der etwas kleiner ist als der maximale Öffnungsgrad.
Der zweite Öffnungsgrad des Umgehungsventils 560 muss nicht der minimale Öffnungsgrad sein, das heißt, der Öffnungsgrad im Ventilschließungszustand, und kann beispielsweise ein Öffnungsgrad sein, der eine kleine Luftmenge durchlässt.
Wenn das Umgehungsventil 560 auf den ersten Öffnungsgrad eingestellt wird, kann das Einlass-Shunt-Ventil 520 oder das Druckregelventil 530 auf einen Zustand eingestellt werden, in dem es Luft durchlässt. Hierbei kann ein Öffnungsgrad des Einlass-Shunt-Ventils 520 und/oder des Druckregelventils 530 so eingestellt werden, dass er kleiner ist, und somit kann die BZ-Luftströmungsrate auf einen kleinen Wert eingestellt werden.
Die Art der Sekundärbatterie 200 ist nicht auf eine Lithiumionen-Sekundärbatterie beschränkt, sondern kann eine Nickelhydrid-Sekundärbatterie oder eine ganz aus Feststoffen bestehende Batterie sein, und ist nicht besonders beschränkt.
Nach einem Zeitpunkt, zu dem die benötigte Ausgangsleistung einen positiven Wert annimmt (in der Ausführungsform zu einem Zeitpunkt t4), kann eine Leistungszufuhr aus der Sekundärbatterie 200 durchgeführt werden. Auch wenn eine Sekundärbatterie verwendet wird, die so verbessert wurde, dass die Ausgangsleistung in einem tatsächlichen Nutzungsbereich nicht beschränkt werden muss, ist der Vorteil, dass der SOC aufrechterhalten werden kann stärker verbessert, da die Leistungszufuhr aus der Sekundärbatterie 200 stärker eingedämmt ist und somit die Leistungszufuhr aus der Sekundärbatterie so weit wie möglich eingedämmt werden kann.
Das Verfahren zum Bestimmen, ob ein Laden der Sekundärbatterie 200 beschränkt ist, kann geändert werden. Zum Beispiel könnte der Wert der Ausgangsleistung Q440 nur unter Verwendung des SOC-Bestimmungs-Flags Fs bestimmt werden.
Wenn ein Hilfsmaschinenleistungsverbrauch durchgeführt wird, kann ein Teil der regenerativen Leistung zum Luftverdichter 170 geliefert werden und die Kühlmittelpumpe 250 und die andere regenerative Leistung können effizient verwendet werden. Effizient beinhaltet zum Beispiel eine Zufuhr zum Klimaanlagenkompressor 245 und ein Laden der Sekundärbatterie 200.
Wenn ein Hilfsmaschinenleistungsverbrauch durchgeführt wird, kann sämtliche regenerative Leistung zum Luftverdichter 170 geliefert werden. In diesem Fall muss die Kühlmittelpumpe 250 nicht angetrieben werden.
Der Motor-Generator kann dafür ausgelegt sein, die Motorfunktion und die Generatorfunktion durch separate Körper zu verwirklichen.
Das Fahrzeug kann ein Connected Car sein. Ein Connected Car ist ein Fahrzeug, in dem eine Kommunikationsvorrichtung eingebaut ist und das über eine Kommunikation mit einer Cloud bedient werden kann. Im Falle eines Connected Car können Routeninformationen über eine Kommunikation von außerhalb ermittelt werden. Das Fahrzeug kann ein automatisch fahrendes Fahrzeug sein, das eine Fahrzeuggeschwindigkeit automatisch regelt.
Das Brennstoffzellensystem 10 kann in eine Transportmaschine eingebaut sein, die kein Fahrzeug ist. Zum Beispiel kann das Brennstoffzellensystem in eine U-Bahn oder ein Schiff eingebaut sein.
Das Brennstoffzellensystem 10 kann als Leistungsquelle für eine Maschine verwendet werden, die keine Transportmaschine ist. Das Brennstoffzellensystem kann als Leistungsquelle eines Baugeräts oder eines Aufzugs verwendet werden, in dem eine regenerative Bremse eingebaut ist.
In den oben genannten Ausführungsformen können manche oder alle von den Funktionen und den Prozessen, die in Software ausgeführt werden, in Hardware ausgeführt werden. Einige oder alle von den in Hardware ausgeführten Funktionen oder Prozessen können in Software ausgeführt werden. Zum Beispiel können verschiedene Schaltungen, beispielsweise eine integrierte Schaltung, eine diskrete Schaltung oder ein Schaltungsmodul, das eine Kombination dieser Schaltungen ist, als Hardware verwendet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2017135860 [0002]
JP 2017135860 A [0002, 0003]

Claims

Brennstoffzellensystem (10), aufweisend: eine Brennstoffzelle (100); eine Sekundärbatterie (200); einen Motor-Generator (140), der dafür ausgelegt ist, die Sekundärbatterie (200) mit regenerativer Leistung zu laden, wobei der Motor-Generator (140) mit elektrischer Leistung aus der Brennstoffzelle (100) und/oder der Sekundärbatterie (200) angetrieben wird; einen Luftverdichter (170), der dafür ausgelegt ist, Druckluft zu erzeugen, wobei der Luftverdichter (170) mit elektrischer Leistung aus der Brennstoffzelle (100) und/oder mit der regenerativen Leistung angetrieben wird; eine Zuführleitung (510), die dafür ausgelegt ist, die Druckluft zur Brennstoffzelle (100) zu liefern; eine Ausführleitung (540), die dafür ausgelegt ist, die Druckluft aus der Brennstoffzelle (100) auszuführen; eine Umgehungsleitung (550), die dafür ausgelegt ist, die Zuführleitung (510) und die Ausführleitung (540) zu verbinden; ein Umgehungsventil (560), das in der Umgehungsleitung (550) angeordnet ist; und eine Steuereinheit (300), die dafür ausgelegt ist, einen Hilfsmaschinenleistungsverbrauch durchzuführen, bei dem zumindest ein Teil der regenerativen Leistung zum Luftverdichter (170) geliefert wird, wenn eine notwendige Bedingung erfüllt ist, dass ein Laden der Sekundärbatterie (200) beschränkt ist, wenn die Brennstoffzelle (100) keine elektrische Leistung erzeugt und die regenerative Leistung erzeugt wird, wobei die Steuereinheit (300) dafür ausgelegt ist, während der Ausführung des Hilfsmaschinenleistungsverbrauchs eine Voraussage dahingehend, ob eine benötigte Ausgangsleistung (Ptgt) für den Motor-Generator (140) einen positiven Wert haben wird, und eine Bestimmung dahingehend, ob eine Spannung der Brennstoffzelle (100) niedriger ist als eine Sollspannung (Vtgtl; Vtgt2), zu treffen, wobei die Steuereinheit (300) dafür ausgelegt ist, das Umgehungsventil (560) während der Ausführung des Hilfsmaschinenleistungsverbrauchs auf einen ersten Öffnungsgrad einzustellen, wenn ein Ergebnis der Voraussage und/oder der Bestimmung negativ ist, und wobei die Steuereinheit (300) dafür ausgelegt ist, das Umgehungsventil (560) während der Ausführung des Hilfsmaschinenleistungsverbrauchs auf einen zweiten Öffnungsgrad einzustellen, der kleiner ist als der erste Öffnungsgrad, wenn Ergebnisse von sowohl der Voraussage als auch der Bestimmung positiv sind.
Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit (300) dafür ausgelegt ist, ein Maß an Betätigung, das in eine Benutzerschnittstelle (395) zum Manipulieren der benötigten Ausgangsleistung (Ptgt) für den Motor-Generator (140) eingegeben wird, für die Voraussage zu verwenden.
Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Sollspannung (Vtgt2) einen festen Wert aufweist.
Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuereinheit (300) dafür ausgelegt ist, einen vorausgesagten Wert der benötigten Ausgangsleistung (Ptgt) zu bestimmen, wenn vorausgesagt wird, dass die benötigte Ausgangsleistung (Ptgt) einen positiven Wert haben wird, wobei die Steuereinheit (300) dafür ausgelegt ist, die Sollspannung (Vtgtl; Vtgt2) auf einen ersten Spannungswert (V1) einzustellen, wenn der vorausgesagte Wert ein erster positiver Wert ist, und wobei die Steuereinheit (300) dafür ausgelegt ist, die Sollspannung (Vtgtl; Vtgt2) auf einen zweiten Spannungswert (V2) einzustellen, der höher ist als der erste Spannungswert (V1), wenn der vorausgesagte Wert ein zweiter positiver Wert ist, der höher ist als der erste positive Wert.
Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 4, wobei das Brennstoffzellensystem (10) in eine Transportmaschine eingebaut ist, und wobei die Steuereinheit (300) dafür ausgelegt ist, Routeninformationen für die Voraussage zu verwenden.
Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der erste Öffnungsgrad ein maximaler Öffnungsgrad ist.
Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der zweite Öffnungsgrad ein Öffnungsgrad in einem Ventilschließungszustand ist.
Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ferner aufweisend: ein Einlassventil (520), das in der Zuführleitung (510) angeordnet ist und zwischen einer Gabelung der Zuführleitung und der Umgehungsleitung (550) und der Brennstoffzelle (100) liegt; und ein Auslassventil (530), das in der Ausführleitung (540) angeordnet ist und zwischen einer Gabelung der Ausführleitung und der Umgehungsleitung (550) und der Brennstoffzelle (100) liegt, wobei die Steuereinheit (300) dafür ausgelegt ist, das Einlassventil (520) und/oder das Auslassventil (530) auf einen Ventilschließungszustand einzustellen, wenn das Umgehungsventil (560) während der Ausführung des Hilfsmaschinenleistungsverbrauchs auf den ersten Öffnungsgrad eingestellt wird.
Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ferner ein Auslassventil (530) aufweisend, das in der Ausführleitung (540) angeordnet ist und zwischen einer Gabelung der Ausführleitung und der Umgehungsleitung (550) und der Brennstoffzelle (100) liegt, wobei die Steuereinheit (300) dafür ausgelegt ist, das Auslassventil (530) auf einen Ventilschließungszustand einzustellen, wenn das Umgehungsventil (560) während der Ausführung des Hilfsmaschinenleistungsverbrauchs auf den ersten Öffnungsgrad eingestellt wird, und wobei die Steuereinheit (300) dafür ausgelegt ist, das Auslassventil (530) auf einen Ventilöffnungszustand einzustellen, wenn das Umgehungsventil (560) während der Ausführung des Hilfsmaschinenleistungsverbrauchs auf den zweiten Öffnungsgrad eingestellt wird.