DE102019122503A1

DE102019122503A1 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102019122503A1
Application number: DE102019122503.5A
Authority: DE
Inventors: Masayuki Ito; Hideyuki Kumei; Tomohiko Kaneko
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-10-05
Filing date: 2019-08-21
Publication date: 2020-04-09
Also published as: US11145882B2; JP2020061229A; US20200112041A1; CN111029627A; CN111029627B; JP7067402B2

Abstract

Ein Brennstoffzellensystem umfasst: eine Brennstoffzelleneinheit, die eine erste und eine zweite Brennstoffzelle umfasst, welche einer Lastvorrichtung elektrische Leistung zuführt; ein erstes und ein zweites Zufuhrsystem, die eingerichtet sind, jeweils eine erste und eine zweite Strömungsgeschwindigkeit von Kathodengas zu steuern, das jeweils der ersten und der zweiten Brennstoffzelle zugeführt wird; eine Schaltvorrichtung, die fähig ist, die Brennstoffzelleneinheit und die Lastvorrichtung zwischen einem elektrisch verbundenen Zustand, in dem die Brennstoffzelleneinheit elektrisch mit der Lastvorrichtung verbunden ist, und einem elektrisch getrennten Zustand, in dem die Brennstoffzelleneinheit von der Lastvorrichtung elektrisch getrennt ist, umzuschalten; eine Schaltsteuereinheit, die eingerichtet ist, die Brennstoffzelleneinheit und die Lastvorrichtung in den elektrisch getrennten Zustand zu schalten, wenn eine erforderliche Leistung der Brennstoffzelleneinheit kleiner gleich einem Schwellwert ist; eine Leerlaufspannungs-Bezugseinheit, die eingerichtet ist, eine erste Leerlaufspannung der ersten Brennstoffzelle und eine zweite Leerlaufspannung der zweiten Brennstoffzelle in dem elektrisch getrennten Zustand zu erhalten; und eine Zufuhrsystem-Steuereinheit, die eingerichtet ist, die erste und die zweite Leerlaufspannung derart zu erhöhen und zu senken, dass sie jeweils innerhalb eines ersten und eines zweiten Sollbereichs konvergieren, indem sie das erste und das zweite Zufuhrsystem derart steuert, dass die erste und die zweite Strömungsgeschwindigkeit erhöht und gesenkt werden, wobei ein unterer Grenzwert des ersten Sollbereichs größer ist als ein unterer Grenzwert des zweiten Sollbereichs.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem.
Hintergrund
Wenn eine erforderte Leistung einer Brennstoffzelle kleiner gleich einem Schwellwert ist, wird die Brennstoffzelle von Lastvorrichtungen elektrisch getrennt. Wenn eine Leerlaufspannung der Brennstoffzelle in diesem Zustand zu hoch ist, könnte ein Kathodenkatalysator der Brennstoffzelle eluiert werden. Daher wird unterbunden, dass die Leerlaufspannung zu hoch wird, indem eine ausreichende Menge an Wasserstoff in das Innere der Brennstoffzelle zugeführt wird, und indem eine Strömungsgeschwindigkeit von Kathodengas derart gesteuert wird, dass sie niedriger ist als eine übliche Strömungsgeschwindigkeit, um die Menge an Sauerstoff, die im Inneren der Brennstoffzelle verbleibt, zu reduzieren. Wenn allerdings die erforderliche Leistung in einem Zustand steigt, in dem die in der Brennstoffzelle verbleibende Menge an Sauerstoff zu niedrig ist, verschlechtert sich ein Ansprechverhalten der Ist-Leistung. Aus diesem Grund wird die Strömungsgeschwindigkeit des Kathodengases derart erhöht und gesenkt, dass die Leerlaufspannung innerhalb eines Sollbereichs konvergiert (siehe zum Beispiel die japanische ungeprüfte Offenlegungsschrift Nr. 2016-096086 ).
In einem Brennstoffzellensystem, das solche Brennstoffzellen umfasst, ist es denkbar, dass Leerlaufspannungen der Brennstoffzellen niedrig sind, wenn die erforderliche Leistung steigt. In diesem Fall kann sich das Ansprechverhalten der Ist-Leistung auf die erforderliche Leistung verschlechtern.
Kurzfassung der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, bei dem ein Ansprechverhalten auf eine erforderliche Leistung verbessert wird.
Die obige Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem gelöst, das Folgendes umfasst: eine Brennstoffzelleneinheit, die eine erste und eine zweite Brennstoffzelle umfasst, welche einer Lastvorrichtung elektrische Leistung zuführt; ein erstes und ein zweites Zufuhrsystem, die eingerichtet sind, jeweils eine erste und eine zweite Strömungsgeschwindigkeit von Kathodengas zu steuern, das jeweils der ersten und der zweiten Brennstoffzelle zugeführt wird; eine Schaltvorrichtung, die fähig ist, die Brennstoffzelleneinheit und die Lastvorrichtung zwischen einem elektrisch verbundenen Zustand, in dem die Brennstoffzelleneinheit elektrisch mit der Lastvorrichtung verbunden ist, und einem elektrisch getrennten Zustand, in dem die Brennstoffzelleneinheit von der Lastvorrichtung elektrisch getrennt ist, umzuschalten; eine Schaltsteuereinheit, die eingerichtet ist, die Brennstoffzelleneinheit und die Lastvorrichtung in den elektrisch getrennten Zustand zu schalten, wenn eine erforderliche Leistung der Brennstoffzelleneinheit kleiner gleich einem Schwellwert ist; eine Leerlaufspannungs-Bezugseinheit, die eingerichtet ist, eine erste Leerlaufspannung der ersten Brennstoffzelle und eine zweite Leerlaufspannung der zweiten Brennstoffzelle in dem elektrisch getrennten Zustand zu erhalten; und eine Zufuhrsystem-Steuereinheit, die eingerichtet ist, die erste und die zweite Leerlaufspannung derart zu erhöhen und zu senken, dass sie jeweils innerhalb eines ersten und eines zweiten Sollbereichs konvergieren, indem sie das erste und das zweite Zufuhrsystem derart steuert, dass die erste und die zweite Strömungsgeschwindigkeit erhöht und gesenkt werden, wobei ein unterer Grenzwert des ersten Sollbereichs größer ist als ein unterer Grenzwert des zweiten Sollbereichs.
Der untere Grenzwert des ersten Sollbereichs ist größer als der untere Grenzwert des zweiten Sollbereichs, wodurch eine Zeitspanne sichergestellt wird, in der die erste Leerlaufspannung größer ist als die zweite Leerlaufspannung. Dies verursacht, dass vermieden wird, dass sich die erste und die zweite Leerlaufspannung in niedrigen Zuständen befinden, wodurch ein Ansprechverhalten auf eine erforderliche Leistung verbessert wird.
Eine Größe des ersten oder zweiten Sollbereichs kann größer sein als jene des anderen des ersten oder zweiten Sollbereichs.
Der erste und der zweite Sollbereich können einander zumindest teilweise überlappen.
Ein oberer Grenzwert des ersten Sollbereichs kann mit einem oberen Grenzwert des zweiten Sollbereichs identisch sein.
Ein oberer Grenzwert des ersten Sollbereichs kann größer sein als ein oberer Grenzwert des zweiten Sollbereichs.
Ferner wird die obige Aufgabe durch ein Brennstoffzellensystem gelöst, das Folgendes umfasst: eine Brennstoffzelleneinheit, die eine erste und eine zweite Brennstoffzelle umfasst, welche einer Lastvorrichtung elektrische Leistung zuführt; ein erstes und ein zweites Zufuhrsystem, die eingerichtet sind, jeweils eine erste und eine zweite Strömungsgeschwindigkeit von Kathodengas zu steuern, das jeweils der ersten und der zweiten Brennstoffzelle zugeführt wird; eine Schaltvorrichtung, die fähig ist, die Brennstoffzelleneinheit und die Lastvorrichtung zwischen einem elektrisch verbundenen Zustand, in dem die Brennstoffzelleneinheit elektrisch mit der Lastvorrichtung verbunden ist, und einem elektrisch getrennten Zustand, in dem die Brennstoffzelleneinheit von der Lastvorrichtung elektrisch getrennt ist, umzuschalten; eine Schaltsteuereinheit, die eingerichtet ist, die Brennstoffzelleneinheit und die Lastvorrichtung in den elektrisch getrennten Zustand zu schalten, wenn eine erforderliche Leistung der Brennstoffzelleneinheit kleiner gleich einem Schwellwert ist; eine Leerlaufspannungs-Bezugseinheit, die eingerichtet ist, eine erste Leerlaufspannung der ersten Brennstoffzelle und eine zweite Leerlaufspannung der zweiten Brennstoffzelle in dem elektrisch getrennten Zustand zu erhalten; und eine Zufuhrsystem-Steuereinheit, die eingerichtet ist, die erste und die zweite Leerlaufspannung derart zu erhöhen und zu senken, dass sie jeweils innerhalb eines ersten und eines zweiten Sollbereichs konvergieren, indem sie das erste und das zweite Zufuhrsystem derart steuert, dass die erste und die zweite Strömungsgeschwindigkeit erhöht und gesenkt werden, wobei ein untere Grenzwert des ersten Sollbereichs mit einem unteren Grenzwert des zweiten Sollbereichs identisch ist und ein oberer Grenzwert des ersten Sollbereichs größer ist als ein oberer Grenzwert des zweiten Sollbereichs.
Effekte der Erfindung
Erfindungsgemäß ist es möglich, ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, bei dem ein Ansprechverhalten auf eine erforderliche Leistung verbessert wird.
Figurenliste

1 ist eine Konfigurationsansicht eines Brennstoffzellensystems, das in einem Fahrzeug montiert ist;
2 ist ein Zeitdiagramm, das ein Beispiel für eine Leerlaufspannungssteuerung darstellt;
3 ist eine erläuternde Ansicht einer Größenbeziehung zwischen oberen Grenzwerten und unteren Grenzwerten;
4 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für die Leerlaufspannungssteuerung darstellt;
5 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für die Leerlaufspannungssteuerung einer ersten Brennstoffzelle darstellt;
6 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für die Leerlaufspannungssteuerung einer zweiten Brennstoffzelle darstellt; und
7A bis 7D sind erläuternde Ansichten von Größenbeziehungen zwischen oberen Grenzwerten und unteren Grenzwerten in Abwandlungen der Leerlaufspannungssteuerung.

Detaillierte Beschreibung
Konfiguration des Brennstoffzellensystems
1 ist eine Konfigurationsansicht eines Brennstoffzellensystems 1 (nachfolgend schlicht als System bezeichnet), das in einem Fahrzeug montiert ist. Das System 1 umfasst Kathodengas-Zufuhrsysteme 10a und 10b, Brennstoffzellen 20a und 20b (nachfolgend schlicht als FCs bezeichnet), Leistungssteuersysteme 30a und 30b, Batterien 40a und 40b (nachfolgend als BATs bezeichnet), einen Elektromotor 50 und eine elektronische Steuereinheit (ECU) 60. Ferner umfasst das System 1 ein Anodengaszufuhrsystem (nicht dargestellt), das Wasserstoffgas als Anodengas an die FCs 20a und 20b zuführt, und ein Kühlsystem (nicht dargestellt), das Kühlwasser durch die FCs 20a und 20b zirkuliert und die FCs 20a und 20b kühlt.
Die FCs 20a und 20b sind Brennstoffzellen, die Kathodengas und das Brenngas erhalten, um elektrische Leistung zu erzeugen. Jede der FCs 20a und 20b wird gebildet, indem Feststoffpolymerelektrolyt-Einheitszellen gestapelt werden. Die FCs 20a und 20b sind die gleichen Brennstoffzellen und die Nennleistung ist ebenfalls die gleiche, allerdings sind sie nicht darauf beschränkt. Die FCs 20a und 20b sind Beispiele für eine Brennstoffzelleneinheit und sind auch Beispiele für jeweils eine erste und eine zweite Brennstoffzelle.
Die Kathodengas-Zufuhrsysteme 10a und 10b führen den FCs 20a und 20b jeweils Luft, die Sauerstoff enthält, als Kathodengas zu. Insbesondere umfassen die Kathodengas-Zufuhrsysteme 10a und 10b jeweils Zufuhrrohre 11a und 11b, Auslassrohre 12a und 12b, Bypass-Rohre 13a und 13b, Luftverdichter 14a und 14b, Bypass-Ventile 15a und 15b, Ladeluftkühler 16a und 16b und Gegendruckventile 17a und 17b.
Die Zufuhrrohre 11a und 11b sind jeweils mit Kathodeneinlasssammelrohren der FCs 20a und 20b verbunden. Die Auslassrohre 12a und 12b sind jeweils mit Kathodenauslasssammelrohren der FCs 20a und 20b verbunden. Das Bypass-Rohr 13a steht mit dem Zufuhrrohr 11a und dem Auslassrohr 12a in Verbindung. Ebenso steht das Bypass-Rohr 13b mit dem Zufuhrrohr 11b und dem Auslassrohr 12b in Verbindung. Das Bypass-Ventil 15a ist an einem gemeinsamen Abschnitt des Zufuhrrohrs 11a und des Bypass-Rohrs 13a ausgebildet. Ebenso ist das Bypass-Ventil 15b an einem gemeinsamen Abschnitt des Zufuhrrohrs 11b und des Bypass-Rohrs 13b ausgebildet. Das Bypass-Ventil 15a schaltet einen Verbindungszustand zwischen dem Zufuhrrohr 11a und dem Bypass-Rohr 13a um. Ebenso schaltet das Bypass-Ventil 15b den Verbindungszustand zwischen dem Zufuhrrohr 11b und dem Bypass-Rohr 13b um. Der Luftverdichter 14a, das Bypass-Ventil 15a und der Ladeluftkühler 16a sind in dieser Reihenfolge von der Stromaufwärtsseite aus an dem Zufuhrrohr 11a angeordnet. Das Gegendruckventil 17a ist an dem Auslassrohr 12a angeordnet und auf der Stromaufwärtsseite eines gemeinsamen Abschnitts des Auslassrohrs 12a und des Bypass-Rohrs 13a. Ebenso sind der Luftverdichter 14b, das Bypass-Ventil 15b und der Ladeluftkühler 16b in dieser Reihenfolge von der Stromaufwärtsseite aus an dem Zufuhrrohr 11b angeordnet. Das Gegendruckventil 17b ist an dem Auslassrohr 12b angeordnet und auf der Stromaufwärtsseite eines gemeinsamen Abschnitts des Auslassrohrs 12b und des Bypass-Rohrs 13b.
Die Luftverdichter 14a und 14b führen den FCs 20a und 20b durch die Zufuhrrohre 11a und 11b jeweils Luft, die Sauerstoff enthält, als Kathodengas zu. Das Kathodengas, das den FCs 20a und 20b zugeführt wird, wird jeweils durch die Auslassrohre 12a und 12b ausgelassen. Die Ladeluftkühler 16a und 16b kühlen jeweils das Kathodengas, das den FCs 20a und 20b zugeführt wird. Die Gegendruckventile 17a und 17b passen jeweils den Gegendruck auf der Kathodenseite der FCs 20a und 20b an.
Die Leistungssteuersysteme 30a und 30b umfassen Brennstoffzellen-Gleichspannungswandler 32a und 32b (nachfolgend als FDCs bezeichnet), Batterie-Gleichspannungswandler 34a und 34b (nachfolgend als BDCs bezeichnet), Schalter 36a und 36b und Hilfsaggregats-Gleichspannungswandler 39a und 39b (nachfolgend als AINV bezeichnet). Ferner teilen sich die Leistungssteuersysteme 30a und 30b einen Motorwechselrichter 38 (nachfolgend als MINV bezeichnet), der mit dem Elektromotor 50 verbunden ist. Die FDCs 32a und 32b passen jeweils Gleichstromleistung von den FCs 20a und 20b an, und geben die Gleichstromleistung an den MINV 38 ab. Die BDCs 34a und 34b passen jeweils Gleichstromleistung von den BATs 40a und 40b an, und geben die Gleichstromleistung an den MINV 38 ab. Die elektrische Leistung, die von den FCs 20a und 20b erzeugt wird, wird jeweils in den BATs 40a und 40b gespeichert. Der MINV 38 wandelt die eingegebene Gleichstromleistung in Dreiphasenwechselstrom um und führt den Dreiphasenwechselstrom dem Elektromotor 50 zu. Der Elektromotor 50 treibt Räder 5 an, um das Fahrzeug anzutreiben.
Der Schalter 36a öffnet und schließt ansprechend auf einen Befehl von der ECU 60. Wenn der Schalter 36a öffnet, werden die FC 20a und die BAT 40a elektrisch von dem MINV 38 getrennt, und wenn der Schalter 36a schließt, werden die FC 20a und die BAT 40a mit dem MINV 38 verbunden. Ebenso öffnet und schließt der Schalter 36b ansprechend auf einen Befehl von der ECU 60. Wenn der Schalter 36b öffnet, werden die FC 20b und die BAT 40b elektrisch von dem MINV 38 getrennt, und wenn der Schalter 36b schließt, werden die FC 20b und die BAT 40b mit dem MINV 38 verbunden. In dem getrennten Zustand sind die FCs 20a und 20b elektrisch von Lastvorrichtungen, die den Elektromotor 50 umfassen, getrennt. Die Schalter 36a und 36b sind Beispiele für eine Schaltervorrichtung, die fähig ist, die FCs 20a und 20b und die Lastvorrichtungen zwischen dem elektrisch verbundenen Zustand, in dem die FCs 20a und 20b elektrisch mit den Lastvorrichtungen verbunden sind, und dem elektrisch getrennten Zustand, in dem die FCs 20a und 20b elektrisch von den Lastvorrichtungen getrennt sind, zu schalten. Vorliegend umfassen die Lastvorrichtungen Hilfsaggregate für die FCs 20a und 20b und Hilfsaggregate für das Fahrzeug, zusätzlich zu dem Elektromotor 50. Die Hilfsaggregate für die FCs 20a und 20b umfassen die oben beschriebenen Luftverdichter 14a und 14b, die Bypass-Ventile 15a und 15b, die Gegendruckventile 17a und 17b und Einspritzvorrichtungen, um das Anodengas, das in dem Anodengaszufuhrsystem umfasst ist, jeweils an die FCs 20a und 20b zuzuführen. Die Hilfsaggregate für das Fahrzeug umfassen zum Beispiel einen Luftverdichter, Lichtvorrichtungen und Warnleuchten. Selbst wenn die FCs 20a und 20b und die BATs 40a und 40b von dem MINV 38 durch die Schalter 36a und 36b getrennt sind, wird die Speicherleistung der BATs 40a und 40b jeweils durch die BDCs 34a und 34b erhöht und ist fähig, den Luftverdichtern 14a und 14b, den Bypass-Ventilen 15a und 15b und den Gegendruckventilen 17a und 17b über die AINVs 39a und 39b zugeführt zu werden. In der vorliegenden Ausführungsform werden die Schalter 36a und 36b als Komponenten beschrieben, die von den FDCs 32a und 32b getrennt sind, aber Schalter, die jeweils innerhalb der FDCs 32a und 32b ausgebildet sind, können zwischen dem verbundenen Zustand und dem getrennten Zustand umschalten.
Die ECU 60 umfasst eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU), einen Nurlesespeicher (ROM) und einen Direktzugriffsspeicher (RAM). Die ECU 60 ist elektrisch mit einem Pedalöffnungsgradsensor 3, den Luftverdichtern 14a und 14b, den Bypass-Ventilen 15a und 15b, den Gegendruckventilen 17a und 17b, den FDCs 32a und 32b, den BDCs 34a und 34b und den Schaltern 36a und 36b verbunden.
Die ECU 60 berechnet einen Pedalöffnungsgrad eines Öffnungsgrads von einem Gaspedal, das von einem Fahrer betätigt wird, basierend auf dem Erfassungswert des Gaspedalöffnungsgradsensors 3. Die ECU 60 berechnet eine Menge an elektrischer Leistung, die für das Antreiben des Elektromotors 50 erforderlich ist, basierend auf dem Gaspedalöffnungsgrad. Die ECU 60 berechnet die erforderliche Leistung der gesamten FCs 20a und 20b basierend auf der Leistung, die erforderlich ist, um die Hilfsaggregate für die FCs 20a und 20b anzutreiben, wie beispielsweise die Luftverdichter 14a und 14b, die Hilfsaggregate für das Fahrzeug wie beispielsweise den Elektromotor 50, und die Speicherleistung der BATs 40a und 40b. Die ECU 60 steuert die FDCs 32a und 32b und die BDCs 34a und 34b, um dem MINV 38 die Menge an elektrischer Leistung, die der erforderlichen Leistung der gesamten FCs 20a und 20b entspricht, von den gesamten FCs 20a und 20b zuzuführen. In der vorliegenden Spezifikation bedeutet „erforderliche Leistung“ nicht jede erforderliche Leistung der FCs 20a und 20b sondern die erforderliche Leistung aller FCs 20a und 20b, das heißt, die erforderliche Leistung der Brennstoffzelleneinheit.
Wie später im Detail beschrieben, führt die ECU 60 ferner eine Leerlaufspannungssteuerung aus. Die Leerlaufspannungssteuerung wird durch eine Schaltsteuereinheit, eine Leerlaufspannungs-Bezugseinheit und eine Zufuhrsystem-Steuereinheit ausgeführt, die funktionell durch die CPU, den ROM und den RAM implementiert werden.
Leerlaufspannung
Zum Beispiel wenn sich der Gaspedalöffnungsgrad verringert, sinkt auch die erforderliche Leistung. Wenn die erforderliche Leistung kleiner gleich einem später beschriebenen Schwellwert ist, trennen die Schalter 36a und 36b die FCs 20a und 20b elektrisch von den Lastvorrichtungen und dann wird das Fahrzeug in einen Leerlaufzustand gebracht. Vorliegend sind in dem getrennten Zustand, in dem die FCs 20a und 20b elektrisch von den Lastvorrichtungen getrennt sind, die FCs 20a und 20b in einem Zustand, in dem die Leistungserzeugung vorübergehend angehalten ist. In einem solchen Zustand ist jede Stromstärke der FCs 20a und 20b null und jede Spannung in diesem Zustand wird als Leerlaufspannung bezeichnet. Wenn ein Anstieg des Gaspedalöffnungsgrads die erforderliche Leistung in einem solchen Leerlaufzustand wieder höher werden lässt als den Schwellwert, verbinden die Schalter 36a und 36b die FCs 20a und 20b elektrisch mit den Lastvorrichtungen. Daher wird die elektrische Leistung, die von den FCs 20a und 20b erzeugt wird, dem Elektromotor 50 zugeführt, und dann befindet sich das Fahrzeug in einem Fahrzustand.
Vorliegend werden in dem getrennten Zustand, in dem die FCs 20a und 20b elektrisch von den Lastvorrichtungen getrennt sind, bei einer Erzeugung elektrischer Leistung kein Sauerstoff und Wasserstoff verbraucht. Allerdings sickert Wasserstoff durch eine Elektrolytmembran von einer Anodenseite auf eine Kathodenseite, sodass Wasserstoff und Sauerstoff reagieren und Wasser auf der Kathodenseite bilden. Dies reduziert die Sauerstoffkonzentration auf der Kathodenseite.
Ein Absinken der Sauerstoffkonzentration auf der Kathodenseite senkt die Leerlaufspannung. Die Leerlaufspannung wird vorzugsweise selbst in dem getrennten Zustand auf einem hohen Pegel gehalten, unter Berücksichtigung des Ansprechverhaltens der Ist-Leistung der FCs 20a und 20b, wenn die erforderliche Leistung steigt, nachdem die Leerlaufspannung gesenkt wurde. Dies rührt daher, dass eine hohe Leerlaufspannung bedeutet, dass eine hohe Sauerstoffkonzentration auf der Kathodenseite herrscht, und die elektrische Leistung der FCs 20a und 20b ansprechend darauf steigt, wenn die erforderliche Leistung in einem Zustand hoher Sauerstoffkonzentration auf der Kathodenseite steigt. Allerdings ist die Leerlaufspannung zu hoch, sodass der Kathodenkatalysator möglicherweise eluiert werden könnte und die Leistungsperformance der FCs 20a und 20b reduzieren könnte. Daher wird die oben beschriebene Leerlaufspannungssteuerung ausgeführt, um die Leerlaufspannung innerhalb eines vorgegebenen Sollbereichs zu halten. Bei der Leerlaufspannungssteuerung steigt und sinkt eine Strömungsgeschwindigkeit des Kathodengases, das jeder der FCs 20a und 20b zugeführt wird, derart, dass jede Leerlaufspannung der FCs 20a und 20b wiederholt ansteigt und sinkt, um innerhalb des Sollbereichs zu konvergieren. Zudem ist der obige Sollbereich kein Bereich, in dem ein Problem unmittelbar auftritt, wenn die Leerlaufspannung von dem Sollbereich abweicht. Die Sollbereiche der Leerlaufspannungen der FCs 20a und 20b sind jeweils Beispiele für die ersten und zweiten Sollbereiche.
Zeitdiagramm einer Leerlaufspannungssteuerung
2 ist ein Zeitdiagramm, das ein Beispiel für die Leerlaufspannungssteuerung darstellt. 2 stellt einen Verlauf der erforderlichen Leistung P, den verbundenen Zustand zwischen jedem der FCs 20a und 20b und den Lastvorrichtungen, einen Übergang der jeweiligen Strömungsgeschwindigkeiten Qa und Qb des Kathodengases, das den FCs 20a und 20b zugeführt wird, und einen Übergang der jeweiligen Spannungen Va und Vb der FCs 20a und 20b dar. Zudem werden die Strömungsgeschwindigkeiten Qa und Qb während der Ausführung der Leerlaufspannungssteuerung, die unten beschrieben wird, gesteuert, indem der Öffnungsgrad der Bypass-Ventile 15a und 15b angepasst wird, während die Rotationsgeschwindigkeit der Luftverdichter 14a und 14b konstant gehalten wird und der Öffnungsgrad der Gegendruckventile 17a und 17b konstant gehalten wird.
Zum Beispiel wenn der Gaspedalöffnungsgrad allmählich sinkt, während sich das Fahrzeug in einem Fahrzustand befindet, sinkt die erforderliche Leistung ab Zeit t0 allmählich. Wenn die erforderliche Leistung sinkt, sinken die Strömungsgeschwindigkeiten Qa und Qb, sodass die Leistung der FCs 20a und 20b sinkt. Wenn die Leistung der FCs 20a und 20b sinkt, sinkt ferner die Stromstärke der FCs 20a und 20b und die Spannung Va und Vb steigt.
Zum Beispiel wenn der Gaspedalöffnungsgrad null erreicht, ist die erforderliche Leistung P kleiner gleich einem Schwellwert P1 zur Zeit t1. Der Schwellwert P1 ist ein voreingestellter Wert und ist ein Schwellwert, um zu bestimmen, ob die erforderliche Leistung P als im Wesentlichen null angesehen werden kann. Mit anderen Worten, der Schwellwert P1 ist ein Schwellwert, um zu bestimmen, ob es keine Leistungserzeugungsanfrage an die FCs 20a und 20b geben darf. Wenn die erforderliche Leistung P größer ist als der Schwellwert P1, werden zudem die Strömungsgeschwindigkeiten Qa und Qb derart gesteuert, dass sie jeweils größer sind als eine Soll-Strömungsgeschwindigkeit QH. Ferner ist der Schwellwert P1, zum Beispiel, nicht auf im Wesentlichen null beschränkt und kann ein Wert für eine niedrige Leistung sein, die erforderlich ist, um das Fahrzeug anzutreiben und um die Hilfsaggregate zu betreiben, was von den BATs 40a und 40b allein ausreichend bewältigt werden kann.
Zur Zeit t2, wenn die erforderliche Leistung P im Wesentlichen konstant ist, nachdem eine vorgegebene Zeit in Minuten ab Zeit t1 verstrichen ist, wenn die erforderliche Leistung P kleiner gleich dem Schwellwert P1 ist, werden die Strömungsgeschwindigkeiten Qa und Qb jeweils derart gesteuert, dass sie die Soll-Strömungsgeschwindigkeit QL annehmen. Die Soll-Strömungsgeschwindigkeit QL ist kleiner als die Soll-Strömungsgeschwindigkeit QH. Die Strömungsgeschwindigkeiten Qa und Qb werden jeweils derart gesteuert, dass sie zwischen der Soll-Strömungsgeschwindigkeit QH und der Soll-Strömungsgeschwindigkeit QL liegen, indem der Öffnungsgrad der Bypass-Ventile 15a und 15b derart gesteuert wird, dass die Strömungsgeschwindigkeiten von Kathodengas, das durch die Bypass-Rohre 13a und 13b strömt, steigen. Wenn die Strömungsgeschwindigkeiten Qa und Qb jeweils derart gesteuert werden, dass sie die Soll-Strömungsgeschwindigkeit QL annehmen, verschlechtert sich jede IU-Charakteristik der FCs 20a und 20b im Vergleich zu einer IU-Charakteristik zur Zeit einer normalen Leistungserzeugung. Daher fangen die Spannungen Va und Vb ab Zeit t2 an zu sinken.
Zur Zeit t3, wenn eine vorgegebene Zeit ab Zeit t2 verstrichen ist, an der die Spannungen Va und Vb anfangen zu sinken, werden die FCs 20a und 20b von den Lastvorrichtungen getrennt und die Leerlaufspannungssteuerung beginnt. Danach steigen die Spannungen Va und Vb sofort und jede Stromstärke der FCs 20a und 20b, nicht dargestellt, erreicht null. In dem Zustand, in dem die FCs 20a und 20b von den Lastvorrichtungen getrennt werden, entsprechen die Spannungen Va und Vb jeweils den Leerlaufspannungen der FCs 20a und 20b. Zudem wird der Zeitpunkt der Trennung derart angepasst, dass die Spannungen Va und Vb, die unmittelbar nachdem die FCs 20a und 20b von den Lastvorrichtungen getrennt werden, steigen, jeweils kleiner gleich oberen Grenzwerten VHa und VHb sind; dies wird allerdings später im Detail erwähnt. Die oberen Grenzwerte VHa und VHb sind voreingestellt.
Die Spannungen Va und Vb sinken aufgrund des oben beschriebenen Durchsickerns ab Zeit t3. Das heißt, die Soll-Strömungsgeschwindigkeit QL wird auf eine niedrige Strömungsgeschwindigkeit eingestellt, damit die Leerlaufspannung selbst unter Berücksichtigung des Durchsickerns nicht steigt. Dies rührt daher, dass die Abnahmerate der Sauerstoffkonzentration aufgrund des Durchsickerns abhängig von der Nutzungsumgebung und der Nutzungszeit der Brennstoffzelle variiert, und es schwierig ist, die Abnahmerate im Voraus zu ermitteln.
Wenn die Spannung Va der FC 20a zur Zeit t4 einen unteren Grenzwert VLa erreicht, wird die Strömungsgeschwindigkeit Qa des Kathodengases an die FC 20a derart gesteuert, dass sie auf die Soll-Strömungsgeschwindigkeit QH steigt, sodass die Spannung Va beginnt, anzusteigen. Die Soll-Strömungsgeschwindigkeit QH wird auf eine solche Strömungsgeschwindigkeit eingestellt, dass die Sauerstoffkonzentration selbst dann steigt, wenn ein Abnahmebetrag der Sauerstoffkonzentration aufgrund des Durchsickerns berücksichtigt wird. Der untere Grenzwert VLa, der später im Detail beschrieben wird, ist voreingestellt.
Wenn die Spannung Va zur Zeit t5 größer gleich dem oberen Grenzwert VHa ist, wird die Strömungsgeschwindigkeit Qa derart gesteuert, dass sie erneut auf die Soll-Strömungsgeschwindigkeit QL sinkt, und dann beginnt die Spannung Va zu sinken. Wenn die Spannung Vb zur Zeit t6 einen unteren Grenzwert VLb erreicht, wird die Strömungsgeschwindigkeit Qb derart gesteuert, dass sie auf die Soll-Strömungsgeschwindigkeit QH steigt, und dann beginnt die Spannung Vb zu steigen. Der untere Grenzwert VLb ist voreingestellt. Wenn die Spannung Va zur Zeit t7 den unteren Grenzwert VLa erreicht, wird die Strömungsgeschwindigkeit Qa derart gesteuert, dass sie auf die Soll-Strömungsgeschwindigkeit QH steigt, und dann beginnt die Spannung Va zu steigen. Wenn die Spannung Va zur Zeit t8 den oberen Grenzwert VHa erreicht, wird die Strömungsgeschwindigkeit Qa derart gesteuert, dass sie auf die Soll-Strömungsgeschwindigkeit QL sinkt, und dann beginnt die Spannung Va zu sinken. Wenn die Spannung Vb zur Zeit t8 den oberen Grenzwert VHb erreicht, wird die Strömungsgeschwindigkeit Qb gleichfalls derart gesteuert, dass sie auf die Soll-Strömungsgeschwindigkeit QL steigt, und dann beginnt die Spannung Vb zu sinken.
Wie oben beschrieben sind die oberen Grenzwerte VHa und VHb die oberen Grenzwerte der Sollbereiche der Leerlaufspannung und die unteren Grenzwerte VLa und VLb sind die unteren Grenzwerte derselben. Daher werden die Strömungsgeschwindigkeiten Qa und Qb derart gesteuert, dass sie derart steigen und sinken, dass die Spannungen Va und Vb wiederholt steigen und sinken, um innerhalb des Sollbereichs zu konvergieren. Die oberen Grenzwerte VHa und VHb sind Spannungswerte, die geeignet sind, die Elution des Kathodenkatalysators, wie oben beschrieben, zu unterbinden, und können innerhalb des Bereichs von, zum Beispiel, 0,75 V bis 0,9 V liegen, und insbesondere 0,85 V betragen. Die unteren Grenzwerte VLa und VLb sind Spannungswerte, die geeignet sind, ein gutes Ansprechverhalten auf die erforderliche Leistung sicherzustellen, und können innerhalb eines Bereichs von, zum Beispiel, 0,5 V bis 0,8 V liegen und insbesondere 0,77 V des unteren Grenzwerts VLa betragen und 0,7 V des unteren Grenzwerts VLb betragen.
Wenn die erforderliche Leistung P zur Zeit t9 beginnt zu steigen, ist die erforderliche Leistung P größer als der Schwellwert P1 zur Zeit t10 und die FCs 20a und 20b werden mit den Lastvorrichtungen verbunden. Danach sinken die Spannungen Va und Vb sofort und jede Stromstärke der FCs 20a und 20b, nicht dargestellt, steigt sofort. Indem die Strömungsgeschwindigkeiten Qa und Qb derart gesteuert werden, dass sie jeweils größer sind als die Soll-Strömungsgeschwindigkeit QH zur Zeit t11, sinken die Spannungen Va und Vb und die Leistung der FCs 20a und 20b, nicht dargestellt, steigt. In der vorliegenden Ausführungsform steigen die Strömungsraten Qa und Qb zur Zeit t11, nachdem die FCs 20a und 20b mit den Lastvorrichtungen zur Zeit t10 verbunden wurden, aber dies ist nicht darauf beschränkt. Die FCs 20a und 20b können mit den Lastvorrichtungen verbunden werden, nachdem die Strömungsgeschwindigkeiten Qa und Qb gestiegen sind. Die Strömungsgeschwindigkeiten Qa und Qb können steigen und die FCs 20a und 20b können gleichzeitig mit den Lastvorrichtungen verbunden werden.
3 ist eine erläuternde Ansicht einer Größenbeziehung zwischen den oberen Grenzwerten VHa und VHb und den unteren Grenzwerten VLa und VLb, die oben beschrieben werden. Wie in 3 dargestellt, ist der untere Grenzwert VLa größer als der untere Grenzwert VLb. Daher wird die Spannung Va in einem hohen Zustand gehalten, sodass sie nicht kleiner ist als der untere Grenzwert VLa, was eine Zeitspanne sicherstellt, in der die Spannung Va höher ist als die Spannung Vb. Dementsprechend wird vermieden, dass beide Spannungen Va und Vb niedrig werden. Zum Beispiel wenn die erforderliche Leistung P steigt und den Schwellwert P1 übersteigt, und wenn beide Spannungen Va und Vb niedrig sind, könnte sich das Ansprechverhalten der Ist-Leistung der FCs 20a und 20b auf die erforderliche Leistung P verschlechtern und die Antriebsfähigkeit beeinflussen, da beide Spannungen Va und Vb niedrig sind. In der vorliegenden Ausführungsform wird das Auftreten des obigen Problems unterbunden.
Ferner ist eine Differenz zwischen dem oberen Grenzwert VHb und dem unteren Grenzwert VLb größer als eine Differenz zwischen dem oberen Grenzwert VHa und dem unteren Grenzwert VLa. Daher ist in einer Zeitspanne, in der die Leerlaufspannungssteuerung ausgeführt wird, die Anzahl der Umschaltungen zwischen dem Anstieg und dem Sinken der Strömungsgeschwindigkeit Qb kleiner als die Anzahl der Umschaltungen zwischen dem Anstieg und dem Sinken der Strömungsgeschwindigkeit Qa. Dementsprechend ist eine Häufigkeit, mit welcher der Öffnungsgrad des Bypass-Ventils 15b geändert wird, um die Strömungsgeschwindigkeit Qb umzuschalten, kleiner, als eine Häufigkeit, mit welcher der Öffnungsgrad des Bypass-Ventils 15a geändert wird, um die Strömungsgeschwindigkeit Qa umzuschalten. Dies unterbindet die Verschlechterung der Lebensdauer des Bypass-Ventils 15b.
Ferner überlappt der Sollbereich der Spannung Va von dem oberen Grenzwert VHa zu dem unteren Grenzwert VLa teilweise den Sollbereich der Spannung Vb von dem oberen Grenzwert VHb zu dem unteren Grenzwert VLb. Dies unterbindet eine große Abweichung der Ausgangsleistung zwischen den FCs 20a und 20b.
Flussdiagramm einer Leerlaufspannungssteuerung
4 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für die Leerlaufspannungssteuerung darstellt. Zuerst bestimmt die ECU 60, ob die erforderliche Leistung P kleiner gleich dem Schwellwert PI ist (Schritt S1). Wie oben beschrieben, berechnet die ECU 60 die erforderliche Leistung P basierend auf der Leistung, die erforderlich ist, um den Elektromotor 50 und die Hilfsaggregate anzutreiben. Zum Beispiel wenn der Gaspedalöffnungsgrad nicht null ist und sich das Fahrzeug in einem Fahrzustand befindet, wird in Schritt S1 „nein“ bestimmt und die vorliegende Steuerung wird beendet.
Zum Beispiel wenn der Gaspedalöffnungsgrad null ist, wird in Schritt S1 „ja“ bestimmt und die ECU 60 steuert die Strömungsgeschwindigkeiten Qa und Qb auf die Soll-Strömungsgeschwindigkeit QL wie zu der oben beschriebenen Zeit t2 (Schritt S3). Dementsprechend sinkt die Sauerstoffkonzentration in den FCs 20a und 20b und die Spannungen Va und Vb sinken.
Als nächstes erhält die ECU 60 die IU-Charakteristik der FC 20a (Schritt S5a) und bestimmt, ob sich die IU-Charakteristik der FC 20a ausreichend verschlechtert (Schritt S7a). Als nächstes erhält die ECU 60 die IU-Charakteristik der FC 20b (Schritt S5b) und bestimmt, ob sich die IU-Charakteristik der FC 20b ausreichend verschlechtert (Schritt S7b). Das heißt, die Soll-Strömungsgeschwindigkeit QL ist eine Strömungsgeschwindigkeit, bei der sich die IU-Charakteristik aufgrund der niedrigen Sauerstoffkonzentration auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle in dem Zustand verschlechtert, in dem die Brennstoffzelle mit den Lastvorrichtungen verbunden ist. Die IU-Charakteristik wird auf Basis der jeweiligen Stromwerte und Spannungswerte der FCs 20a und 20b erhalten, nachdem die Strömungsgeschwindigkeiten Qa und Qb auf die Soll-Strömungsgeschwindigkeit QL gesteuert werden. Es wird angenommen, dass sich die RJ-Charakteristik mit Sinken des Stromwerts und des Spannungswerts verschlechtert. Das heißt, wenn der Stromwert und der Spannungswert kleiner gleich jeweiliger vorgegebener Werte sind, wird bestimmt, dass sich die IU-Charakteristik ausreichend verschlechtert. Wenn in Schritt S7a „nein“ bestimmt wird, wird Schritt S5a erneut ausgeführt. Ebenso wird, wenn in Schritt S7b „nein“ bestimmt wird, Schritt S5b erneut ausgeführt.
Wenn in Schritt S7a „ja“ bestimmt wird, trennt die ECU 60 die FC 20a von den Lastvorrichtungen wie zu der oben beschriebenen Zeit t3, (Schritt S9a). Ebenso trennt die ECU 60 die FC 20b von den Lastvorrichtungen wie zur Zeit t3, wenn in Schritt S7b „ja“ bestimmt wird (Schritt S9b). Die Prozesse der Schritte S9a und S9b sind ein Beispiel für Prozesse, die durch die Schaltsteuereinheit ausgeführt werden, die eingerichtet ist, die FCs 20a und 20b und die Lastvorrichtungen in den getrennten Zustand umzuschalten, wenn die erforderliche Leistung P kleiner gleich dem Schwellwert P1 ist. Wie bei Zeit t3 dargestellt, steigen vorliegend die Spannungen Va und Vb um ein solches Maß, dass sie nicht jeweils sofort nach dem Trennen die oberen Grenzwerte VHa und VHb übersteigen. Dies rührt daher, dass das oben beschriebene Trennen ausgeführt wird, nachdem in den Schritten S7a und S7b bestimmt wurde, dass sich die IU-Charakteristiken ausreichend verschlechtern. Das heißt, in Schritt S7a bedeutet „die IU-Charakteristik verschlechtert sich ausreichend“, dass sich die IU-Charakteristik um ein solches Maß verschlechtert, dass die Spannung, die sofort nach dem Trennen steigt, nicht den oberen Grenzwert VHa übersteigt. In Schritt S7b bedeutet „die IU-Charakteristik verschlechtert sich ausreichend“, dass sich die IU-Charakteristik um ein solches Maß verschlechtert, dass die Spannung, die sofort nach dem Trennen steigt, nicht den oberen Grenzwert VHb übersteigt.
Als nächstes führt die ECU 60 die Leerlaufspannungssteuerung der FC 20a (Schritt S10a) und die Leerlaufspannungssteuerung der FC 20b aus (Schritt S10b). Zudem werden die Prozesse der obigen Schritte S5a und S5b und nachfolgende Prozesse parallel ausgeführt.
Flussdiagramm der Leerlaufspannungssteuerung der FC 20a
5 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für die Leerlaufspannungssteuerung der FC 20a darstellt. Zuerst steuert die ECU 60 die Strömungsgeschwindigkeit Qa derart, dass sie die Soll-Strömungsgeschwindigkeit QL annimmt (Schritt S11a). Wenn die Strömungsgeschwindigkeit Qa bereits im oben beschriebenen Schritt S3 auf die Soll-Strömungsgeschwindigkeit QL gesteuert wurde, wird dieser Zustand in Schritt S11a fortgesetzt. Als nächstes bestimmt die ECU 60, ob die erforderliche Leistung P kleiner gleich dem Schwellwert P1 ist (Schritt S13a). Wenn in Schritt S13a „nein“ bestimmt wird, führt die ECU 60 eine Rückführsteuerung aus, um die FCs 20a und 20b in den normalen Leistungserzeugungszustand zurückzuführen (Schritt S100). Die Rückführsteuerung wird später beschrieben.
Wenn in Schritt S13a „ja“ bestimmt wird, erhält die ECU 60 die Spannung Va (Schritt S15a) und bestimmt, ob die Spannung Va kleiner gleich dem unteren Grenzwert VLa ist (Schritt S17a). Wenn in Schritt S17a „nein“ bestimmt wird, führt die ECU 60 den Prozess aus Schritt S11a und nachfolgende Prozesse erneut aus. Das heißt, solange in Schritt S13a „ja“ bestimmt wird und in Schritt S17a „nein“ bestimmt wird, wird die Strömungsgeschwindigkeit Qa auf die Soll-Strömungsgeschwindigkeit QL gesteuert. Zum Beispiel wird die Strömungsgeschwindigkeit Qa auf die Soll-Strömungsgeschwindigkeit QL nach Zeit t2 wie dargestellt gesteuert, die oben beschrieben wird. Da Schritt S13a wiederholt ausgeführt wird, solange in Schritt S17a „nein“ bestimmt wird, wird die Rückführsteuerung selbst dann ausgeführt, wenn die erforderliche Leistung steigt, während die Strömungsgeschwindigkeit Qa auf die Soll-Strömungsgeschwindigkeit QL gesteuert wird.
Wenn in Schritt S17a „ja“ bestimmt wird, zum Beispiel wie bei Zeit t7 dargestellt, steuert die ECU 60 die Strömungsgeschwindigkeit Qa auf die Soll-Strömungsgeschwindigkeit QH (Schritt S21a). Als nächstes bestimmt die ECU 60, ob die erforderliche Leistung P kleiner gleich dem Schwellwert P1 ist (Schritt S23a). Ebenso wird, wenn in Schritt S23a „nein“ bestimmt wird, die Rückführsteuerung ausgeführt (Schritt S100).
Wenn in Schritt S23a „ja“ bestimmt wird, erhält die ECU 60 die Spannung Va (Schritt S25a) und bestimmt, ob die Spannung Va größer gleich dem oberen Grenzwert VHa ist (Schritt S27a). Wenn in Schritt S27a „nein“ bestimmt wird, führt die ECU 60 den Prozess aus Schritt S21a erneut aus. Solange in Schritt S23a „ja“ bestimmt wird und in Schritt S27a „nein“ bestimmt wird, wird die Strömungsgeschwindigkeit Qa auf die Soll-Strömungsgeschwindigkeit QH gesteuert. Das heißt, wie in der Zeitspanne von Zeit t7 bis Zeit t8 dargestellt, die oben beschrieben wird, wird die Strömungsgeschwindigkeit Qa auf die Soll-Strömungsgeschwindigkeit QH gesteuert. Da Schritt S23a wiederholt ausgeführt wird, solange in Schritt S27a „nein“ bestimmt wird, ist es möglich, den Fall zu bewältigen, in dem die erforderliche Leistung steigt, während die Strömungsgeschwindigkeit Qa auf die Soll-Strömungsgeschwindigkeit QH gesteuert wird.
Wenn in Schritt S27a „ja“ bestimmt wird, führt die ECU 60 den Prozess aus Schritt S11a und die nachfolgenden Prozesse erneut aus und die Strömungsgeschwindigkeit Qa wird auf die Soll-Strömungsgeschwindigkeit QL gesteuert, zum Beispiel wie bei Zeit t8 dargestellt. Wie oben beschrieben, wird die Spannung Va so gesteuert, dass sie zwischen dem oberen Grenzwert VHa und dem unteren Grenzwert VLa wiederholt steigt und sinkt, indem die Strömungsgeschwindigkeit Qa abwechselnd auf die Soll-Strömungsgeschwindigkeit QH und die Soll-Strömungsgeschwindigkeit QL gesteuert wird. Die Prozesse der Schritte S11a, S17a, S21a und S27a sind ein Beispiel für einen Prozess, der von der Zufuhrsystem-Steuereinheit ausgeführt wird, die eingerichtet ist, die Leerlaufspannung der FC 20a zu erhöhen und zu senken, sodass sie innerhalb eines ersten Sollbereichs konvergiert, indem das Bypass-Ventil 15a derart gesteuert wird, dass die Strömungsgeschwindigkeit Qa steigt und sinkt.
Zudem kann der Prozess aus Schritt S13a vor Schritt S11a oder zwischen den Schritten S15a und S17a ausgeführt werden. Ebenso kann der Prozess aus Schritt S23a vor Schritt S21a oder zwischen den Schritten S25a und S27a ausgeführt werden.
Flussdiagramm der Leerlaufspannungssteuerung der FC 20b
6 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für eine Leerlaufspannungssteuerung der FC 20b darstellt. Zuerst steuert die ECU 60 die Strömungsgeschwindigkeit Qb derart, dass sie die Soll-Strömungsgeschwindigkeit QL annimmt (Schritt S11b). Wenn die Strömungsgeschwindigkeit Qb bereits im oben beschriebenen Schritt S3 auf die Soll-Strömungsgeschwindigkeit QL gesteuert wurde, setzt sich dieser Zustand in Schritt S11b fort. Als nächstes bestimmt die ECU 60, ob die erforderliche Leistung P kleiner gleich dem Schwellwert P1 ist (Schritt S13b). Wenn in Schritt S13b „nein“ bestimmt wird, führt die ECU 60 die Rückführsteuerung aus (Schritt S100).
Wenn in Schritt S13b „ja“ bestimmt wird, erhält die ECU 60 die Spannung Vb (Schritt S15b) und bestimmt, ob die Spannung Vb kleiner gleich dem unteren Grenzwert VLb ist (Schritt S17b). Wenn in Schritt S17b „nein“ bestimmt wird, führt die ECU 60 den Prozess von Schritt S11b und die nachfolgenden Prozesse erneut aus. Das heißt, solange in Schritt S13b „ja“ bestimmt wird und in Schritt S17b „nein“ bestimmt wird, wird die Strömungsgeschwindigkeit Qb auf die Soll-Strömungsgeschwindigkeit QL gesteuert. Zum Beispiel wird die Strömungsgeschwindigkeit Qb auf die Soll-Strömungsgeschwindigkeit QL nach Zeit t2 wie dargestellt gesteuert, die oben beschrieben wird. Da der Prozess aus Schritt S13b wiederholt ausgeführt wird, solange in Schritt S17b „nein“ bestimmt wird, wird die Rückführsteuerung selbst dann ausgeführt, wenn die erforderliche Leistung steigt, während die Strömungsgeschwindigkeit Qb auf die Soll-Strömungsgeschwindigkeit QL gesteuert wird.
Wenn in Schritt S17b „ja“ bestimmt wird, steuert die ECU 60 die Strömungsgeschwindigkeit Qb auf die Soll-Strömungsgeschwindigkeit QH, wie zum Beispiel bei Zeit t6 dargestellt (Schritt S21b). Als nächstes bestimmt die ECU 60, ob die erforderliche Leistung P kleiner gleich dem Schwellwert P1 ist (Schritt S23b). Ebenso wird, wenn in Schritt S23b „nein“ bestimmt wird, die Rückführsteuerung ausgeführt (Schritt S100).
Wenn in Schritt S23b „ja“ bestimmt wird, erhält die ECU 60 die Spannung Vb (Schritt S25b) und bestimmt, ob die Spannung Vb größer gleich dem oberen Grenzwert VHb ist (Schritt S27b). Wenn in Schritt S27b „nein“ bestimmt wird, führt die ECU 60 den Prozess aus Schritt S21b erneut aus. Solange in Schritt S23b „ja“ bestimmt wird und in Schritt S27b „nein“ bestimmt wird, wird die Strömungsgeschwindigkeit Qb auf die Soll-Strömungsgeschwindigkeit QH gesteuert. Das heißt, wie in der Zeitspanne von Zeit t6 bis Zeit t8 dargestellt, die oben beschrieben wird, wird die Strömungsgeschwindigkeit Qb auf die Soll-Strömungsgeschwindigkeit QH gesteuert. Da der Prozess aus Schritt S23b wiederholt ausgeführt wird, solange in Schritt S27b „nein“ bestimmt wird, wird die Rückführsteuerung selbst dann ausgeführt, wenn die erforderliche Leistung steigt, während die Strömungsgeschwindigkeit Qb auf die Soll-Strömungsgeschwindigkeit QH gesteuert wird.
Wenn in Schritt S27b „ja“ bestimmt wird, führt die ECU 60 den Prozess aus Schritt S11b und die nachfolgenden Prozesse erneut aus und die Strömungsgeschwindigkeit Qb wird auf die Soll-Strömungsgeschwindigkeit QL gesteuert, zum Beispiel wie bei Zeit t8 dargestellt. Wie oben beschrieben wird die Strömungsgeschwindigkeit Qb abwechselnd auf die Soll-Strömungsgeschwindigkeit QH und die Soll-Strömungsgeschwindigkeit QL gesteuert, sodass die Spannung Vb derart gesteuert wird, dass sie zwischen dem oberen Grenzwert VHb und dem unteren Grenzwert VLb wiederholt steigt und sinkt. Die Prozesse der Schritte S11b, S17b, S21b und S27b sind ein Beispiel für einen Prozess, der von der Zufuhrsystem-Steuereinheit ausgeführt wird, die eingerichtet ist, die Leerlaufspannung der FC 20b zu erhöhen und zu senken, sodass sie innerhalb eines zweiten Sollbereichs konvergiert, indem das Bypass-Ventil 15b derart gesteuert wird, dass die Strömungsgeschwindigkeit Qb steigt und sinkt.
Zudem kann der Prozess aus Schritt S13b vor Schritt S11b oder zwischen den Schritten S15b und S17b ausgeführt werden. Ebenso kann der Prozess aus Schritt S23b vor Schritt S21b oder zwischen den Schritten S25b und S27b ausgeführt werden.
Wie oben beschrieben ist jede oben beschriebene Leerlaufspannungssteuerung der FCs 20a und 20b im Wesentlichen die gleiche, und die oberen Grenzwerte VHa und VHb sind ebenfalls der gleiche Wert. Der Unterschied besteht darin, dass der untere Grenzwert VLa größer ist als der untere Grenzwert VLb. Indem die oberen Grenzwerte und die unteren Grenzwerte auf diese Weise eingestellt werden, ist es möglich, eine Verschlechterung der Lebensdauer des Zufuhrsystems zu unterbinden, welches die Strömungsgeschwindigkeit des Kathodengases anpasst, das der FC 20b zugeführt wird, während das Ansprechverhalten auf die erforderliche Leistung sichergestellt wird. Dies unterbindet eine Erhöhung der Herstellungskosten des Programms, das die Leerlaufspannungssteuerung der FC 20a und 20b ausführt, und unterbindet eine Erhöhung der Prozesslast bei der ECU 60.
Rückführsteuerung
Wenn die erforderliche Leistung P größer gleich dem Schwellwert P1 in dem Zustand ist, in dem die FCs 20a und 20b von den Lastvorrichtungen getrennt sind, steuert die ECU 60 die Schalter 36a und 36b, um die FCs 20a und 20b und die Lastvorrichtungen elektrisch zu verbinden, wie bei Zeit t10 dargestellt. Dies verursacht, dass die Spannungen Va und Vb sofort sinken. In dem verbundenen Zustand werden die Strömungsgeschwindigkeiten Qa und Qb derart gesteuert, dass sie ansprechend auf einen Anstieg der erforderlichen Leistung P wie bei Zeit t11 dargestellt steigen. Daher steigt die Leistung der FCs 20a und 20b ebenfalls, um die erforderliche Leistung P zu bedienen. Auch wenn die Rückführsteuerung in der Leerlaufspannungssteuerung einer der FCs 20a und 20b ausgeführt wird, kehren beide FCs 20a und 20b in den normalen Leistungserzeugungszustand zurück.
Erste Abwandlung einer Leerlaufspannungssteuerung
Als nächstes wird eine erste Abwandlung der Leerlaufspannungssteuerung beschrieben. 7A ist eine erläuternde Ansicht einer Größenbeziehung zwischen den oberen Grenzwerten VHa und VHb und den unteren Grenzwerten VLa und VLb in der ersten Abwandlung der Leerlaufspannungssteuerung. In der ersten Abwandlung ist der obere Grenzwert VHa größer als der obere Grenzwert VHb, der untere Grenzwert VLa ist größer als der untere Grenzwert VLb und der obere Grenzwert VHb ist kleiner als der obere Grenzwert VHa und größer als der untere Grenzwert VLa. Da der untere Grenzwert VLa größer ist als der untere Grenzwert VLb, wird eine Zeitspanne, während der die Spannung Va höher ist als die Spannung Vb sichergestellt, wodurch das Ansprechverhalten auf einen Anstieg der erforderlichen Leistung verbessert wird.
Ferner, da der obere Grenzwert VHb kleiner ist als der obere Grenzwert VHa, wird weiter unterbunden, dass der Kathodenkatalysator des FC 20b aufgelöst wird, und es wird weiter unterbunden, dass sich die Leistungsperformance der FC 20b verschlechtert. Eine solche Konfiguration ist in einem Fall geeignet, in dem eine Verschlechterung der Leistungsperformance der FC 20b besonders unterbunden wird, zum Beispiel in einem Fall, in dem ein System verwendet wird, in dem anstelle der FC 20a die FC 20b mehr Leistung an die Hilfsaggregate abführt, oder in einem Fall, in dem die Nennleistung der FC 20b größer ist als die Nennleistung der FC 20a. In der ersten Abwandlung ist es so möglich, die Verschlechterung der Leistungsperformance der FC 20b mit größerem Vorrang zu unterbinden als bei der FC 20a, während das Ansprechverhalten auf einen Anstieg der erforderlichen Leistung sichergestellt wird.
In der ersten Abwandlung, wie die oben beschriebene Ausführungsform, ist eine Differenz zwischen dem oberen Grenzwert VHb und dem unteren Grenzwert VLb größer als eine Differenz zwischen dem oberen Grenzwert VHa und dem unteren Grenzwert VLa, wodurch die Verschlechterung der Lebensdauer des Bypass-Ventils 15b unterbunden wird. Es ist so möglich, die Verschlechterung der Lebensdauer des Bypass-Ventils 15b zu unterbinden, welche das Hilfsaggregat der FC 20b ist, während eine Verschlechterung der Leistungsperformance der FC 20b unterbunden wird und gleichzeitig die Leistung der FC 20b über einen lange Zeit sichergestellt wird.
In der ersten Abwandlung beträgt der obere Grenzwert VHa zum Beispiel 0,84 V, der obere Grenzwert VHb beträgt 0,82 V, der untere Grenzwert VLa beträgt 0,77 V und der untere Grenzwert VLb beträgt 0,7 V.
Zweite Abwandlung einer Leerlaufspannungssteuerung
7B ist eine erläuternde Ansicht einer Größenbeziehung zwischen den oberen Grenzwerten VHa und VHb und den unteren Grenzwerten VLa und VLb in einer zweiten Abwandlung der Leerlaufspannungssteuerung. In der zweiten Abwandlung ist der obere Grenzwert VHb größer als der obere Grenzwert VHa, der untere Grenzwert VLa und der untere Grenzwert VLb sind miteinander identisch, und der obere Grenzwert VHa ist kleiner als der obere Grenzwert VHb und größer als der untere Grenzwert VLb. Da der obere Grenzwert VHb größer ist als der obere Grenzwert VHa, wird eine Zeitspanne, während der die Spannung Vb höher ist als die Spannung Va sichergestellt, wodurch das Ansprechverhalten auf einen Anstieg der erforderlichen Leistung verbessert wird. Da der obere Grenzwert VHa niedriger ist als der obere Grenzwert VHb, wird die Auflösung des Kathodenkatalysators der FC 20a ferner weiter unterbunden, was die Verschlechterung der Leistungsperformance der FC 20a unterbindet. Ferner ist auch in der zweiten Abwandlung eine Differenz zwischen dem oberen Grenzwert VHb und dem unteren Grenzwert VLb größer als eine Differenz zwischen dem oberen Grenzwert VHa und dem unteren Grenzwert VLa, wodurch die Verschlechterung der Lebensdauer des Bypass-Ventils 15b unterbunden wird.
Zudem entspricht in der zweiten Abwandlung, anders als bei der oben beschriebenen Ausführungsform und der ersten Abwandlung, sowie der dritten und vierten Abwandlung, die später beschrieben werden, der Sollbereich der Leerlaufspannung der FC 20b dem ersten Sollbereich, und der Sollbereich der Leerlaufspannung der FC 20a entspricht dem zweiten Sollbereich. Dementsprechend entspricht der obere Grenzwert VHb dem oberen Grenzwert des ersten Sollbereichs und der obere Grenzwert VHa entspricht dem oberen Grenzwert des zweiten Sollbereichs. In der zweiten Abwandlung beträgt der obere Grenzwert VHa zum Beispiel 0,8 V, der obere Grenzwert VHb beträgt 0,84 V und jeder der unteren Grenzwerte VLa und VLb beträgt 0,75 V.
Dritte Abwandlung einer Leerlaufspannungssteuerung
7C ist eine erläuternde Ansicht einer Größenbeziehung zwischen den oberen Grenzwerten VHa und VHb und den unteren Grenzwerten VLa und VLb in der dritten Abwandlung der Leerlaufspannungssteuerung. In der dritten Abwandlung ist der obere Grenzwert VHb größer als der obere Grenzwert VHa und der untere Grenzwert VLb ist kleiner als der untere Grenzwert VLa. Daher, da eine Differenz zwischen dem oberen Grenzwert VHb und dem unteren Grenzwert VLb größer ist als eine Differenz zwischen dem oberen Grenzwert VHa und dem unteren Grenzwert VLa, wird die Verschlechterung der Lebensdauer des Bypass-Ventils 15b unterbunden. Ferner, da der obere Grenzwert VHa niedriger ist als der obere Grenzwert VHb, wird die Auflösung des Kathodenkatalysators der FC 20a unterbunden, wodurch die Verschlechterung der Leistungsperformance der FC 20a unterbunden wird.
In der dritten Abwandlung beträgt der obere Grenzwert VHa zum Beispiel 0,8 V, der obere Grenzwert VHb beträgt 0,84 V, der untere Grenzwert VLa beträgt 0,75 V und der untere Grenzwert VLb beträgt 0,7 V.
Vierte Abwandlung einer Leerlaufspannungssteuerung
7D ist eine erläuternde Ansicht einer Größenbeziehung zwischen den oberen Grenzwerten VHa und VHb und den unteren Grenzwerten VLa und VLb in der vierten Abwandlung der Leerlaufspannungssteuerung. In der vierten Abwandlung ist der obere Grenzwert VHb größer als der obere Grenzwert VHa, der untere Grenzwert VLb ist größer als der untere Grenzwert VLa, der obere Grenzwert VHa ist kleiner als der obere Grenzwert VHb und größer als der untere Grenzwert VLb und der untere Grenzwert VLb ist kleiner als der obere Grenzwert VHa und größer als der untere Grenzwert VLa. Da der obere Grenzwert VHb größer ist als der obere Grenzwert VHa und da der untere Grenzwert VLb größer ist als der untere Grenzwert VLa, ist eine Zeitspanne sichergestellt, während der die Spannung Vb höher ist als die Spannung Va, wodurch das Ansprechverhalten auf einen Anstieg der erforderlichen Leistung verbessert wird. Da der obere Grenzwert VHa niedriger ist als der obere Grenzwert VHb, wird ebenfalls die Auflösung des Kathodenkatalysators der FC 20a unterbunden. Ferner, da eine Differenz zwischen dem oberen Grenzwert VHb und dem unteren Grenzwert VLb größer ist als eine Differenz zwischen dem oberen Grenzwert VHa und dem unteren Grenzwert VLa, wird die Verschlechterung der Lebensdauer des Bypass-Ventils 15b weiter unterbunden.
In der vierten Abwandlung beträgt der obere Grenzwert VHa zum Beispiel 0,8 V, der obere Grenzwert VHb beträgt 0,84 V, der untere Grenzwert VLa beträgt 0,75 V und der untere Grenzwert VLb beträgt 0,77 V.
Auch in den ersten bis vierten Abwandlungen überlappen sich die Sollspannungen der Spannungen Va und Vb teilweise, was eine Differenz zwischen den FCs 20a und 20b bei der Leistungsperformance aufgrund der Ausführung der Leerlaufspannungssteuerung unterbindet.
In der oben beschriebenen Ausführungsform und Abwandlungen kann die Soll-Strömungsgeschwindigkeit QL null betragen.
Wie in 2 dargestellt, wird die Leerlaufspannung gesteuert, indem die Strömungsgeschwindigkeiten Qa und Qb mit einer Rechtecksteuerung angepasst werden, aber dies ist nicht darauf beschränkt. Mindestens eine der Strömungsgeschwindigkeiten Qa und Qb kann derart angepasst werden, dass sie linear oder kurvenförmig steigt und sinkt, oder sie kann mit einer Sinussteuerung angepasst werden.
Die Strömungsgeschwindigkeit Qa wird gesteuert, indem der Öffnungsgrad des Bypass-Ventils 15a in der Ausführungsform und der oben beschriebenen Abwandlung angepasst wird, aber dies ist nicht darauf beschränkt. Die Strömungsgeschwindigkeit Qa kann gesteuert werden, indem mindestens eine Rotationsgeschwindigkeit des Luftverdichters 14a, der Öffnungsgrad des Bypass-Ventils 15a und/oder der Öffnungsgrad des Gegendruckventils 17a angepasst wird. Zum Beispiel wenn die Strömungsgeschwindigkeit Qa von einem Zustand, in dem die Strömungsgeschwindigkeit Qa größer ist als die Soll-Strömungsgeschwindigkeit QL, auf die Soll-Strömungsgeschwindigkeit QL gesteuert wird, kann nur die Rotationsgeschwindigkeit des Luftverdichters 14a gesenkt werden, ohne den Öffnungsgrad des Bypass-Ventils 15a und des Gegendruckventils 17a zu ändern. Alternativ kann nur der Öffnungsgrad des Gegendruckventils 17a gesenkt werden, ohne die Rotationsgeschwindigkeit des Luftverdichters 14a und den Öffnungsgrad des Bypass-Ventils 15a zu ändern. Zudem wird in dem Fall, in dem nur die Rotationsgeschwindigkeit des Luftverdichters 14a angepasst wird, um die Strömungsgeschwindigkeit Qa zu steuern, die Energieverlustmenge aufgrund des Luftverdichters 14a im Vergleich zu dem Fall gesenkt, in dem nur der Öffnungsgrad des Bypass-Ventils 15a oder des Gegendruckventils 17a angepasst wird. Gleiches gilt für die Strömungsgeschwindigkeit Qb.
Das oben beschriebene System 1 umfasst die zwei Luftverdichter 14a und 14b, ist aber nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel sind anstelle der zwei Luftverdichter 14a und 14b ein einzelner Luftverdichter und Rohre ausgebildet, die den Luftverdichter und beide Zufuhrrohre 11a und 11b verbinden, und die Strömungsgeschwindigkeiten Qa und Qb können gesteuert werden, indem die Öffnungsgrade der Bypass-Ventile 15a und 15b und der Gegendruckventile 17a und 17b gesteuert werden.
Das System 1, das oben beschrieben wird, umfasst zwei FCs 20a und 20b, aber es kann drei oder mehr Brennstoffzellen umfassen. In diesem Fall können mindestens zwei Leerlaufspannungen der Brennstoffzellen wie oben beschrieben gesteuert werden. Auch in diesem Fall ist es möglich, zu unterbinden, dass die Leerlaufspannungen aller Brennstoffzellen in die niedrigen Zustände gebracht werden.
Das Brennstoffzellensystem ist in dem Fahrzeug eingebaut, aber dies ist nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel kann ein stationäres Brennstoffzellensystem verwendet werden. Das Fahrzeug kann nicht nur ein Auto sein, sondern auch ein Motorrad, ein Schienenfahrzeug, ein Schiff, ein Luftfahrzeug oder dergleichen. Ferner kann das Fahrzeug ein Hybridfahrzeug sein, das einen Elektromotor und eine Verbrennungskraftmaschine zusammen verwendet.
Obwohl manche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben wurden, ist die vorliegende Erfindung nicht auf die spezifischen Ausführungsformen beschränkt, sondern kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung wie beansprucht abgewandelt oder abgeändert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2016096086 [0002]

Claims

Brennstoffzellensystem (1) aufweisend: eine Brennstoffzelleneinheit (20a, 20b), die eine erste und eine zweite Brennstoffzelle (20a, 20b) umfasst, die einer Lastvorrichtung elektrische Leistung zuführt; ein erstes und ein zweites Zufuhrsystem (10a, 10b), die eingerichtet sind, jeweils eine erste und eine zweite Strömungsgeschwindigkeit (Qa, Qb) von Kathodengas zu steuern, das jeweils der ersten und der zweiten Brennstoffzelle (20a, 20b) zugeführt wird; eine Schaltvorrichtung (36a, 36b), die fähig ist, die Brennstoffzelleneinheit (20a, 20b) und die Lastvorrichtung (50) zwischen einem elektrisch verbundenen Zustand, in dem die Brennstoffzelleneinheit (20a, 20b) elektrisch mit der Lastvorrichtung (50) verbunden ist, und einem elektrisch getrennten Zustand, in dem die Brennstoffzelleneinheit (20a, 20b) von der Lastvorrichtung (50) elektrisch getrennt ist, umzuschalten; eine Schaltsteuereinheit (60), die eingerichtet ist, die Brennstoffzelleneinheit (20a, 20b) und die Lastvorrichtung (50) in den elektrisch getrennten Zustand zu schalten, wenn eine erforderliche Leistung (P) der Brennstoffzelleneinheit (20a, 20b) kleiner gleich einem Schwellwert (P1) ist; eine Leerlaufspannungs-Bezugseinheit (60), die eingerichtet ist, eine erste Leerlaufspannung (Va) der ersten Brennstoffzelle (20a) und eine zweite Leerlaufspannung (Vb) der zweiten Brennstoffzelle (20b) in dem elektrisch getrennten Zustand zu erhalten; und eine Zufuhrsystem-Steuereinheit (60), die eingerichtet ist, die erste und die zweite Leerlaufspannung (Va, Vb) derart zu erhöhen und zu senken, dass sie jeweils innerhalb eines ersten und eines zweiten Sollbereichs konvergieren, indem sie das erste und das zweite Zufuhrsystem (10a, 10b) derart steuert, dass die erste und die zweite Strömungsgeschwindigkeit (Qa, Qb) erhöht und gesenkt werden, wobei ein unterer Grenzwert (VLa) des ersten Sollbereichs größer ist als ein unterer Grenzwert (VLb) des zweiten Sollbereichs.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei eine Größe des ersten oder zweiten Sollbereichs größer ist als jene des anderen des ersten oder zweiten Sollbereichs.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste und der zweite Sollbereich einander zumindest teilweise überlappen.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein oberer Grenzwert (VHa) des ersten Sollbereichs mit einem oberen Grenzwert (VHb) des zweiten Sollbereichs identisch ist.
Brennstoffzellensystem einer der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein oberer Grenzwert (VHa) des ersten Sollbereichs größer ist als ein oberer Grenzwert (VHb) des zweiten Sollbereichs.
Brennstoffzellensystem (1) aufweisend: eine Brennstoffzelleneinheit (20a, 20b), die eine erste und eine zweite Brennstoffzelle (20a, 20b) umfasst, die einer Lastvorrichtung elektrische Leistung zuführt; ein erstes und ein zweites Zufuhrsystem (10a, 10b), die eingerichtet sind, jeweils eine erste und eine zweite Strömungsgeschwindigkeit (Qa, Qb) von Kathodengas zu steuern, das jeweils der ersten und der zweiten Brennstoffzelle (20a, 20b) zugeführt wird; eine Schaltvorrichtung (36a, 36b), die fähig ist, die Brennstoffzelleneinheit (20a, 20b) und die Lastvorrichtung (50) zwischen einem elektrisch verbundenen Zustand, in dem die Brennstoffzelleneinheit (20a, 20b) elektrisch mit der Lastvorrichtung (50) verbunden ist, und einem elektrisch getrennten Zustand, in dem die Brennstoffzelleneinheit (20a, 20b) von der Lastvorrichtung (50) elektrisch getrennt ist, umzuschalten; eine Schaltsteuereinheit (60), die eingerichtet ist, die Brennstoffzelleneinheit (20a, 20b) und die Lastvorrichtung (50) in den elektrisch getrennten Zustand zu schalten, wenn eine erforderliche Leistung (P) der Brennstoffzelleneinheit (20a, 20b) kleiner gleich einem Schwellwert (P1) ist; eine Leerlaufspannungs-Bezugseinheit (60), die eingerichtet ist, eine erste Leerlaufspannung (Va) der ersten Brennstoffzelle (20a) und eine zweite Leerlaufspannung (Vb) der zweiten Brennstoffzelle (20b) in dem elektrisch getrennten Zustand zu erhalten; und eine Zufuhrsystem-Steuereinheit (60), die eingerichtet ist, die erste und die zweite Leerlaufspannung (Va, Vb) derart zu erhöhen und zu senken, dass sie jeweils innerhalb eines ersten und eines zweiten Sollbereichs konvergieren, indem sie das erste und das zweite Zufuhrsystem (10a, 10b) derart steuert, dass die erste und die zweite Strömungsgeschwindigkeit (Qa, Qb) erhöht und gesenkt werden, wobei ein unterer Grenzwert (VLa) des ersten Sollbereichs mit einem unteren Grenzwert (VLb) des zweiten Sollbereichs identisch ist, und ein oberer Grenzwert (VHa) des ersten Sollbereichs größer ist als ein oberer Grenzwert (VHb) des zweiten Sollbereichs.