DE102020127801A1

DE102020127801A1 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Erfassen einer Anomalie eines Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: DE102020127801A1
Application number: DE102020127801.2A
Authority: DE
Inventors: Keisuke Fujita; Toshihiro EGAWA
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-11-11
Filing date: 2020-10-22
Publication date: 2021-05-12
Also published as: JP2021077530A; CN112786929A; CN112786929B; US20210143458A1; US11411234B2; JP7211341B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem. Bei einer Anomalieerfassungssteuerung erhält eine Steuerungseinheit (68) des Brennstoffzellensystems einen maximalen Befüllungsdruck, der einem Maximalwert des Drucks in einem Befüllungsströmungspfad (30) während einer Befüllung entspricht, und bestimmt, dass sowohl ein erster als auch ein zweiter Drucksensor (41, 42) normal sind, wenn die Differenz zwischen einem Zuführstartdruck und dem maximalen Befüllungsdruck gleich oder kleiner als ein Referenzwert ist. Wenn diese Differenz größer als der Referenzwert ist, bestimmt die Steuerungseinheit (68), dass eine Möglichkeit besteht, dass zumindest einer der ersten und zweiten Drucksensoren (41, 42) anormal sein kann. Der Zuführstartdruck entspricht einem Erfassungswert des zweiten Drucksensors (42) zu der Zeit, wenn die Zuführung von Brenngas zu einer Brennstoffzelle (66) zum ersten Mal gestartet wird, nachdem die Befüllung eines Brennstofftanks (60) mit dem Brenngas abgeschlossen ist.

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Erfassen einer Anomalie eines Brennstoffzellensystems.
Beschreibung des zugehörigen Stands der Technik
Brennstoffzellensysteme mit einem Wasserstofftank, welcher einen einer Brennstoffzelle zuzuführenden Wasserstoff speichert, sind typischerweise mit einem Drucksensor zur Erfassung des Drucks im Wasserstofftank versehen. Wie im Stand der Technik bekannt ist, besitzen einige solcher Brennstoffzellensysteme zwei getrennte Drucksensoren, einen an einem Befüllungsströmungspfad, durch den Wasserstoff zu dem Wasserstofftank geführt wird, und den anderen an einem Zuführströmungspfad, durch den ein der Brennstoffzelle zuzuführender Wasserstoff von dem Wasserstofftank abgeführt wird. Diese Brennstoffzellensysteme bestimmen, ob eine Anomalie bei den Drucksensoren vorliegt, indem der von dem Drucksensor auf dem Befüllungsströmungspfad erfasste Druck, wenn ein Betrieb zum Befüllen des Wasserstofftanks mit Wasserstoff abgeschlossen ist, und der von dem Drucksensor auf dem Zuführströmungspfad erfasste Druck, wenn die Zuführung von Wasserstoff zu der Brennstoffzelle nach der Befüllung zum ersten Mal gestartet wird, verglichen werden (siehe beispielsweise die Veröffentlichung der ungeprüften japanischen Patentanmeldung mit der Nr. 2018-106867 ( JP 2018-106867 A )).
Kurzfassung der Erfindung
Die Erfinder fanden heraus, dass solche Brennstoffzellensysteme das folgende neue Problem besitzen. Solche Brennstoffzellensysteme umfassen eine Aufnahme, welche an dem Ende des Befüllungsströmungspfads vorgesehen ist, und eine Wasserstoffbetankungsvorrichtung wird an der Aufnahme angebracht, wenn der Wasserstofftank mit Wasserstoff befüllt wird. Bei diesen Brennstoffzellensystemen kann der Druck in dem Befüllungsströmungspfad nach dem Befüllen des Wasserstofftanks beispielsweise aufgrund von Fremdkörpern, die sich in der Aufnahme verfangen haben, abnehmen. In einem solchen Fall kann das Brennstoffzellensystem selbst durch Vergleichen des von dem Drucksensor auf dem Befüllungsströmungspfad nach dem Befüllen des Wasserstofftanks erfassten Drucks mit dem von dem Drucksensor auf dem Zuführströmungspfad zu Beginn der Zuführung von Wasserstoff zu der Brennstoffzelle erfassten Druck nicht in der Lage sein, genau zu bestimmen, ob eine Anomalie bei den Drucksensoren vorliegt.

(1) Ein erster Aspekt der vorliegenden Offenbarung betrifft ein Brennstoffzellensystem, welches umfasst: eine Brennstoffzelle; einen Brennstofftank, welcher ein der Brennstoffzelle zuzuführendes Brenngas speichert; einen Befüllungsströmungspfad, durch den das dem Brennstofftank zuzuführende Brenngas strömt; einen Zuführströmungspfad, welcher die Brennstoffzelle und den Brennstofftank verbindet; einen ersten Drucksensor, welcher an dem Befüllungsströmungspfad montiert ist und einen Druck in dem Befüllungsströmungspfad erfasst; einen zweiten Drucksensor, welcher an dem Zuführströmungspfad montiert ist und einen Druck des Brenngases an einem Auslass des Brennstofftanks erfasst; einen Temperatursensor, welcher eine Temperatur in dem Brennstofftank erfasst; und eine Steuerungseinheit, welche derart konfiguriert ist, dass diese eine Anomalieerfassungssteuerung für den ersten Drucksensor und den zweiten Drucksensor durchführt. Bei der Anomalieerfassungssteuerung ist die Steuerungseinheit derart konfiguriert, dass diese: einen maximalen Befüllungsdruck aus einem Erfassungswert des ersten Drucksensors erhält, wobei der maximale Befüllungsdruck dem Druck in dem Befüllungsströmungspfad zu einer Maximaldruckzeit entspricht, wenn der Druck in dem Befüllungsströmungspfad während eines Befüllens des Brennstofftanks mit dem Brenngas maximal wird; bestimmt, dass sowohl der erste Drucksensor als auch der zweite Drucksensor normal sind, wenn eine erste Differenz gleich oder kleiner als ein vorbestimmter erster Referenzwert ist, oder wenn eine zweite Differenz gleich oder kleiner als ein vorbestimmter zweiter Referenzwert ist, wobei die erste Differenz einer Differenz zwischen einem Zuführstartdruck und dem maximalen Befüllungsdruck entspricht, wobei der Zuführstartdruck einem Erfassungswert des zweiten Drucksensors zu Beginn einer Zuführung des Brenngases zu der Brennstoffzelle entspricht, das heißt, wenn die Zuführung des Brenngases von dem Brennstofftank zu der Brennstoffzelle zum ersten Mal gestartet wird, nachdem die Befüllung des Brennstofftanks mit dem Brenngas beendet ist, und wobei die zweite Differenz einer Differenz zwischen einer Menge des Brenngases in dem Brennstofftank zum Beginn der Zuführung des Brenngases zu der Brennstoffzelle, die unter Verwendung der von dem Temperatursensor zu Beginn der Zuführung des Brenngases zu der Brennstoffzelle erfassten Temperatur und des Zuführstartdrucks berechnet wird, und einer Menge des Brenngases in dem Brennstofftank zu der Maximaldruckzeit, die unter Verwendung der von dem Temperatursensor zu der Maximaldruckzeit erfassten Temperatur und des maximalen Befüllungsdrucks berechnet wird, entspricht; und bestimmt, dass eine Möglichkeit besteht, dass der erste Drucksensor und/oder der zweite Drucksensor anormal ist/sind, wenn die erste Differenz größer als der vorbestimmte erste Referenzwert ist oder wenn die zweite Differenz größer als der vorbestimmte zweite Referenzwert ist. Gemäß dem Brennstoffzellensystem dieses Aspekts liegt selbst dann, wenn der Druck in dem Befüllungsströmungspfad nach dem Befüllen des Brennstofftanks mit dem Brenngas abnimmt, der maximale Befüllungsdruck näher an dem Druck in dem Brennstofftank am Ende der Befüllung, und es ist wahrscheinlicher, dass die Differenz zwischen dem Zuführstartdruck und dem maximalen Befüllungsdruck gleich oder kleiner als der Referenzwert ist. Diese Konfiguration verringert somit die Möglichkeit einer fehlerhaften Anomaliebestimmung für die Drucksensoren.
(2) Das Brennstoffzellensystem des vorstehenden Aspekts kann ferner einen Strömungsratensensor umfassen, welcher eine Strömungsrate des durch den Befüllungsströmungspfad strömenden Brenngases erfasst. Die Steuerungseinheit kann derart konfiguriert sein, dass diese die Anomalieerfassungssteuerung startet, sobald die von dem Strömungsratensensor erfasste Strömungsrate nach dem Beginn der Befüllung des Brennstofftanks mit dem Brenngas gleich oder niedriger als eine vorbestimmte Referenzströmungsrate wird. Mit dieser Konfiguration wird die Genauigkeit einer Anomaliebestimmung für die Drucksensoren verbessert, da die Anomalieerfassungssteuerung unter Verwendung des Erfassungswerts der Strömungsrate des durch den Befüllungsströmungspfad strömenden Brenngases gestartet wird.
(3) Die vorbestimmte Referenzströmungsrate kann 30 g/Sek. betragen. Die Genauigkeit der Anomaliebestimmung für die Drucksensoren wird somit verbessert, da die Anomalieerfassungssteuerung unter Verwendung des Erfassungswerts der Strömungsrate des durch den Befüllungsströmungspfad strömenden Brenngases gestartet wird.
(4) Die Steuerungseinheit kann derart konfiguriert sein, dass diese eine Druckzunahmerate des Befüllungsströmungspfads während der Befüllung des Brennstofftanks mit dem Brenngas unter Verwendung des Erfassungswerts des ersten Drucksensors erhält, und die Anomalieerfassungssteuerung startet, nachdem die Druckzunahmerate nach dem Beginn der Befüllung des Brennstofftanks mit dem Brenngas gleich oder niedriger als eine vorbestimmte erste Referenzrate wird. Mit dieser Konfiguration wird die Genauigkeit einer Anomaliebestimmung für die Drucksensoren verbessert, da die Anomalieerfassungssteuerung unter Verwendung der Druckzunahmerate des durch den Befüllungsströmungspfad strömenden Brenngases gestartet wird.
(5) Die vorbestimmte erste Referenzrate kann 23 MPa/Min. betragen. Die Genauigkeit einer Anomaliebestimmung für die Drucksensoren wird somit verbessert, da die Anomalieerfassungssteuerung unter Verwendung der Druckzunahmerate des durch den Befüllungsströmungspfad strömenden Brenngases gestartet wird.
(6) Die Steuerungseinheit kann derart konfiguriert sein, dass diese eine Temperaturzunahmerate des Brennstofftanks während einer Befüllung des Brennstofftanks mit dem Brenngas unter Verwendung der von dem Temperatursensor erfassten Temperatur erhält, und die Anomalieerfassungssteuerung startet, nachdem die Temperaturzunahmerate nach dem Beginn der Befüllung des Brennstofftanks mit dem Brenngas gleich oder niedriger als eine vorbestimmte zweite Referenzrate wird. Mit dieser Konfiguration wird die Genauigkeit einer Anomaliebestimmung für die Drucksensoren verbessert, da die Anomalieerfassungssteuerung unter Verwendung der Temperaturzunahmerate des Brennstofftanks gestartet wird.
(7) Die vorbestimmte zweite Referenzrate kann 20 °C/Min. betragen. Die Genauigkeit einer Anomaliebestimmung für die Drucksensoren wird somit verbessert, da die Anomalieerfassungssteuerung unter Verwendung der Temperaturzunahmerate des Brennstofftanks gestartet wird.
(8) Die Steuerungseinheit kann derart konfiguriert sein, dass diese den maximalen Befüllungsdruck zu der Maximaldruckzeit erhält, wobei die Maximaldruckzeit einer Zeit entspricht, wenn der Erfassungswert des ersten Drucksensors maximal wird, nachdem ein Druckverlust, der zwischen dem ersten Drucksensor und dem Brennstofftank auftritt, wenn das Brenngas durch den Befüllungsströmungspfad strömt, als gleich oder niedriger als ein vorbestimmter Bestimmungswert abgeschätzt wird. Diese Konfiguration verringert die Möglichkeit, dass aufgrund des Druckverlusts in dem Befüllungsströmungspfad ein übermäßig großer Wert als der maximale Befüllungsdruck erhalten werden kann, und verringert somit die Möglichkeit, dass die Drucksensoren fälschlicherweise als anormal bestimmt werden, obwohl die Drucksensoren normal sind. Die Genauigkeit einer Anomaliebestimmung für die Drucksensoren wird somit verbessert.
(9) Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen einer Anomalie eines Brennstoffzellensystems. Das Brennstoffzellensystem umfasst eine Brennstoffzelle, einen Brennstofftank, welcher der Brennstoffzelle zuzuführendes Brenngas speichert, einen Befüllungsströmungspfad, durch den das dem Brennstofftank zuzuführende Brenngas strömt, einen Zuführströmungspfad, der die Brennstoffzelle und den Brennstofftank verbindet, einen ersten Drucksensor, welcher an dem Befüllungsströmungspfad montiert ist und einen Druck im Befüllungsströmungspfad erfasst, und einen zweiten Drucksensor, welcher am Zuführströmungspfad montiert ist und einen Druck des Brenngases an einem Auslass des Brennstofftanks erfasst. Das Verfahren umfasst: Erhalten eines maximalen Befüllungsdrucks aus einem Erfassungswert des ersten Drucksensors, wobei der maximale Befüllungsdruck dem Druck in dem Befüllungsströmungspfad zu einer Maximaldruckzeit entspricht, wenn der Druck in dem Befüllungsströmungspfad während eines Befüllens des Brennstofftanks mit dem Brenngas maximal wird; Bestimmen, dass sowohl der erste Drucksensor als auch der zweite Drucksensor normal sind, wenn eine erste Differenz gleich oder kleiner als ein vorbestimmter erster Referenzwert ist, oder wenn eine zweite Differenz gleich oder kleiner als ein vorbestimmter zweiter Referenzwert ist, wobei die erste Differenz einer Differenz zwischen einem Zuführstartdruck und dem maximalen Befüllungsdruck entspricht, wobei der Zuführstartdruck einem Erfassungswert des zweiten Drucksensors zu Beginn der Zuführung des Brenngases zu der Brennstoffzelle entspricht, das heißt, wenn die Zuführung des Brenngases von dem Brennstofftank zu der Brennstoffzelle zum ersten Mal gestartet wird, nachdem das Befüllen des Brennstofftanks mit dem Brenngas beendet ist, und wobei die zweite Differenz einer Differenz zwischen einer Menge des Brenngases in dem Brennstofftank zu Beginn der Zuführung des Brenngases zu der Brennstoffzelle, die unter Verwendung einer Temperatur in dem Brennstofftank zu Beginn der Zuführung des Brenngases zu der Brennstoffzelle und des Zuführstartdrucks berechnet wird, und einer Menge des Brenngases in dem Brennstofftank zu der Maximaldruckzeit, die unter Verwendung einer Temperatur in dem Brennstofftank zu der Maximaldruckzeit und dem maximalen Befüllungsdruck berechnet wird, entspricht; und Bestimmen, dass eine Möglichkeit besteht, dass der erste Drucksensor und/oder der zweite Drucksensor anormal ist/sind, wenn die erste Differenz größer als der vorbestimmte erste Referenzwert ist oder wenn die zweite Differenz größer als der vorbestimmte zweite Referenzwert ist.

Die vorliegende Offenbarung kann in verschiedenen Formen implementiert sein, die sich von dem Brennstoffzellensystem und dem Verfahren zum Erfassen einer Anomalie eines Brennstoffzellensystems unterscheiden. Beispielsweise kann die vorliegende Offenbarung in Formen implementiert sein, wie Brennstoffzellenfahrzeugen, welche mit dem Brennstoffzellensystem ausgestattet sind, Computerprogrammen, welche das Verfahren implementieren, und nicht vorübergehenden Speichermedien mit dem darin gespeicherten Computerprogramm.
Figurenliste
Merkmale, Vorteile und die technische und industrielle Bedeutung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Abbildungen beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen, und wobei:

1 die allgemeine Konfiguration eines Brennstoffzellensystems darstellt;
2 ein Flussdiagramm einer Anomalieerfassungssteuerroutine ist;
3 ein Zeitdiagramm ist, welches einen Überblick über Vorgänge in Zusammenhang mit einer Anomalieerfassungssteuerung darstellt;
4 ein Diagramm ist, welches die Beziehung zwischen der Befüllungszeit und dem Druckverlust und der Befüllungsströmungsrate darstellt;
5 ein Flussdiagramm einer Anomalieerfassungssteuerroutine ist;
6 ein Zeitdiagramm ist, welches einen Überblick über Vorgänge in Zusammenhang mit einer Anomalieerfassungssteuerung darstellt;
7 ein Diagramm ist, welches die Beziehung zwischen der Befüllungszeit und dem Druckverlust und der Druckzunahmerate darstellt;
8 ein Flussdiagramm einer Anomalieerfassungssteuerroutine ist;
9 ein Zeitdiagramm ist, welches einen Überblick über Vorgänge in Zusammenhang mit einer Anomalieerfassungssteuerung darstellt;
10 ein Diagramm ist, welches die Beziehung zwischen der Befüllungszeit und dem Druckverlust und der Temperaturzunahmerate darstellt;
11 ein Flussdiagramm einer Anomalieerfassungssteuerroutine ist; und
12 ein Zeitdiagramm ist, welches einen Überblick über Vorgänge in Zusammenhang mit einer Anomalieerfassungssteuerung darstellt.

Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen
Erste Ausführungsform
Gesamtkonfiguration
1 veranschaulicht die allgemeine Konfiguration eines Brennstoffzellensystems 25 einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Das Brennstoffzellensystem 25 ist auf einem Brennstoffzellenfahrzeug 20 montiert. 1 veranschaulicht auch eine Wasserstoffbetankungsvorrichtung 70 zur Befüllung eines Brennstofftanks 60 mit Wasserstoff, bei dem es sich um Brenngas handelt. Der Brennstofftank 60 ist in dem Brennstoffzellensystem 25 enthalten und wird später beschrieben. Die Konfigurationen des Brennstoffzellenfahrzeugs 20 und der Wasserstoffbetankungsvorrichtung 70 werden beschrieben.
Das Brennstoffzellensystem 25 entspricht einem System zur Erzeugung von Elektrizität zur Nutzung durch einen Antriebsmotor, nicht gezeigt, welcher auf dem Brennstoffzellenfahrzeug 20 montiert ist. Das Brennstoffzellensystem 25 umfasst eine Brennstoffzelle 66, den Brennstofftank 60, eine Aufnahme 64, eine Befüllungsleitung 30, eine Zuführleitung 32 und eine Steuerungseinheit 68. Der Brennstofftank 60 und die Aufnahme 64 sind durch die Befüllungsleitung 30 verbunden, und der Brennstofftank 60 und die Brennstoffzelle 66 sind durch die Zuführleitung 32 verbunden. 1 stellt lediglich einen Teil aus der Konfiguration des Brennstoffzellenfahrzeugs 20 mit Bezug auf die Strömung von Wasserstoff dar. Obwohl das Brennstoffzellenfahrzeug 20 ferner eine Struktur, welche bewirkt, dass sauerstoffhaltiges Oxidationsgas durch die Brennstoffzelle 66 strömt, eine Struktur, welche bewirkt, dass ein Kühlmedium durch die Brennstoffzelle 66 strömt, und eine Struktur mit Bezug auf einen Antrieb des Antriebsmotors umfasst, wird auf die Beschreibung dieser Strukturen verzichtet.
Die Brennstoffzelle 66 ist ein elektrischer Generator zum Erzeugen von Elektrizität aus einer elektrochemischen Reaktion zwischen Brenngas und Oxidationsgas, und besitzt eine gestapelte Struktur aus einer Mehrzahl von Einzelzellen. Obwohl es sich bei der Brennstoffzelle 66 der vorliegenden Ausführungsform um eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle handelt, kann es sich bei der Brennstoffzelle 66 um eine andere Art von Brennstoffzelle handeln, wie beispielsweise eine Festoxid-Brennstoffzelle. In jeder Einzelzelle, welche die Brennstoffzelle 66 bildet, ist auf der Anodenseite ein Strömungspfad ausgebildet, durch den Wasserstoff, d.h. Brenngas, strömt (im Folgenden auch als der anodenseitige Strömungspfad bezeichnet), und auf der Kathodenseite ist ein Strömungspfad ausgebildet, durch den Luft, d.h. Oxidationsgas, strömt (im Folgenden auch als der kathodenseitige Strömungspfad bezeichnet), wobei zwischen dem anodenseitigen Strömungspfad und dem kathodenseitigen Strömungspfad eine Elektrolytmembran eingefügt ist.
Der Brennstofftank 60 entspricht einer Vorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff, welcher der Brennstoffzelle 66 zugeführt werden soll. Der Brennstofftank 60 ist beispielsweise ein Harztank, welcher eine Schicht aus faserverstärktem Kunststoff (FRP) auf der Außenfläche einer Harzauskleidung (Harz-Liner) besitzt. Die FRP-Schicht wird gebildet, indem Fasern, die ein wärmehärtbares Harz enthalten, um die Harzauskleidung gewickelt werden. Der Brennstofftank 60 umfasst einen Ventilmechanismus 62, der in einem Vorsprung des Brennstofftanks 60 angeordnet ist. Der Ventilmechanismus 62 besitzt einen darin ausgebildeten ventilinternen Strömungspfad 34. Der ventilinterne Strömungspfad 34 umfasst einen ersten Strömungspfad 35, einen zweiten Strömungspfad 36 und einen dritten Strömungspfad 37. Ein Ende des ersten Strömungspfades 35 ist an einer Oberfläche des Ventilmechanismus 62 offen, und die Befüllungsleitung 30 ist mit dem einen Ende des ersten Strömungspfades 35 verbunden. Ein zweites Sperrventil 52 ist in dem ersten Strömungspfad 35 angeordnet. Das zweite Sperrventil 52 lässt den Wasserstoff nur in der Richtung von der Befüllungsleitung 30 hin zu dem Brennstofftank 60 strömen. Das andere Ende des ersten Strömungspfades 35 ist mit einem Ende des dritten Strömungspfades 37 verbunden. Ein Ende des zweiten Strömungspfades 36 ist an der Oberfläche des Ventilmechanismus 62 offen, und die Zuführleitung 32 ist mit dem einen Ende des zweiten Strömungspfades 36 verbunden. Ein Hauptabsperrventil 53 ist in dem zweiten Strömungspfad 36 angeordnet. Das Hauptabsperrventil 53 entspricht einem Solenoid- bzw. Magnetventil, welches den zweiten Strömungspfad 36 öffnet und schließt. Das andere Ende des zweiten Strömungspfades 36 ist mit dem einen Ende des dritten Strömungspfades 37 verbunden. Das andere Ende des dritten Strömungspfades 37 ist bei dem Brennstofftank 60 offen. Der dritte Strömungspfad 37, in den der erste Strömungspfad 35 und der zweite Strömungspfad 36 münden, kann nicht vorgesehen sein, und der erste Strömungspfad 35 und der zweite Strömungspfad 36 können separat mit dem Brennstofftank 60 kommunizieren. Der Brennstofftank 60 umfasst ferner einen Temperatursensor 45, welcher die Temperatur in dem Brennstofftank 60 erfasst.
Die Aufnahme 64 entspricht einer Struktur zum Verbinden der Wasserstoffbetankungsvorrichtung 70 mit dem Brennstoffzellenfahrzeug 20, wenn der Brennstofftank 60 mit Wasserstoff befüllt wird. Die Aufnahme 64 ist an einer Seitenfläche eines Fahrzeugkörpers 22 des Brennstoffzellenfahrzeugs 20 montiert. Die Aufnahme 64 besitzt einen darin ausgebildeten vierten Strömungspfad 38. Ein Ende des vierten Strömungspfades 38 ist mit der Befüllungsleitung 30 verbunden. Das andere Ende des vierten Strömungspfades 38 ist an einer Oberfläche dem Fahrzeugkörper 22 offen und bildet eine Einfüllöffnung 26, in welche ein von der Wasserstoffbetankungsvorrichtung 70 zugeführter Wasserstoff strömt. In dem vierten Strömungspfad 38 ist ein erstes Sperrventil 51 angeordnet. Das erste Sperrventil 51 lässt Wasserstoff nur in der Richtung von der Einfüllöffnung 26 hin zu der Befüllungsleitung 30 strömen.
Ein Deckel 24, welcher die Aufnahme 64 bedeckt, ist an dem Fahrzeugkörper 22 vorgesehen. Der Deckel 24 ist über ein Scharnier so an dem Fahrzeugkörper 22 befestigt, dass der Deckel 24 geöffnet und geschlossen werden kann. Der Deckel 24 ist geöffnet, wenn der Brennstofftank 60 durch die Wasserstoffbetankungsvorrichtung 70 mit Wasserstoff befüllt wird. Ein Deckelsensor 46 zur Erfassung, ob der Deckel 24 geöffnet oder geschlossen ist, ist in der Nähe der Aufnahme 64 montiert.
In der in 1 gezeigten Konfiguration wird ein Strömungspfad, welcher die Einfüllöffnung 26 und den Brennstofftank 60 verbindet, das heißt, ein Strömungspfad, durch den ein von der Einfüllöffnung 26 zugeführter Wasserstoff in den Brennstofftank 60 strömt, auch als der „Befüllungsströmungspfad“ bezeichnet. In der vorliegenden Ausführungsform umfasst der „Befüllungsströmungspfad“ die Befüllungsleitung 30, den ersten Strömungspfad 35, den dritten Strömungspfad 37 und den vierten Strömungspfad 38. In der vorliegenden Ausführungsform sind auf der Befüllungsleitung 30 ein Befüllungsdrucksensor 41 und ein Strömungsratensensor 47 montiert. Der Befüllungsdrucksensor 41 erfasst den Druck in der Befüllungsleitung 30, und der Strömungsratensensor 47 erfasst die Massenströmungsrate von Wasserstoff, der in der Befüllungsleitung 30 strömt. Der Befüllungsdrucksensor 41 wird auch als der „erste Drucksensor“ bezeichnet.
Bei der Befüllung des Brennstofftanks 60 mit Wasserstoff wird eine später beschriebene Düse 72 der Wasserstoffbetankungsvorrichtung 70 mit der Aufnahme 64 verbunden, und Wasserstoff wird von der Wasserstoffbetankungsvorrichtung 70 über die Düse 72, die Aufnahme 64 und den Befüllungsströmungspfad zu dem Brennstofftank 60 geführt. Da zu dieser Zeit Hochdruckwasserstoff von der Wasserstoffbetankungsvorrichtung 70 zugeführt wird, werden das erste Sperrventil 51 und das zweite Sperrventil 52 geöffnet. Beim Befüllen des Brennstofftanks 60 mit Wasserstoff ist das Hauptabsperrventil 53 in dem Ventilmechanismus 62 geschlossen. Der Druck, welcher während der Befüllung des Brennstofftanks 60 mit Brenngas vom Befüllungsdrucksensor 41 erfasst wird, ist daher ungefähr gleich dem Druck im Brennstofftank 60. Im Folgenden wird der Druck im Brennstofftank 60 auch einfach als der „Tankdruck“ bezeichnet.
In der in 1 gezeigten Konfiguration wird ein Strömungspfad, welcher die Brennstoffzelle 66 und den Brennstofftank 60 verbindet, das heißt, ein Strömungspfad, durch den ein aus dem Brennstofftank 60 abgeführter Wasserstoff zu der Brennstoffzelle 66 geführt wird, auch als der „Zuführströmungspfad“ bezeichnet. In der vorliegenden Ausführungsform umfasst der „Zuführströmungspfad“ die Zuführleitung 32, den zweiten Strömungspfad 36 und den dritten Strömungspfad 37. Ein Druckreduzierventil 54 und ein Injektor 55 sind in dieser Reihenfolge von der stromaufwärtigen Seite der Wasserstoffströmung aus auf der Zuführleitung 32 montiert. Der Injektor 55 besitzt darin ein Magnetventil und passt die Wasserstoffmenge, die der Brennstoffzelle 66 zugeführt wird, durch Öffnen und Schließen des Magnetventils an. Um die Brennstoffzelle 66 zur Erzeugung von Elektrizität bzw. Leistung zu veranlassen, wird das Hauptabsperrventil 53 geöffnet, um zu veranlassen, dass Hochdruckwasserstoff aus dem Brennstofftank 60 in die Zuführleitung 32 strömt. Der Druck des in der Zuführleitung 32 strömenden Hochdruckwasserstoffs wird durch das Druckreduzierventil 54 reduziert und vom Injektor 55 in die anodenseitigen Strömungspfade in der Brennstoffzelle 66 geführt.
In dem Zuführströmungspfad ist ein Hochdrucksensor 42 zwischen dem Hauptabsperrventil 53 und dem Druckreduzierventil 54 montiert, ein Mitteldrucksensor 43 ist zwischen dem Druckreduzierventil 54 und dem Injektor 55 montiert, und ein Niederdrucksensor 44 ist zwischen dem Injektor 55 und der Brennstoffzelle 66 montiert. Während der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 66 ist der Erfassungswert des Hochdrucksensors 42 am größten, gefolgt vom Erfassungswert des Mitteldrucksensors 43 und dem Erfassungswert des Niederdrucksensors 44. Die Erfassungswerte des Hochdrucksensors 42, des Mitteldrucksensors 43 und des Niederdrucksensors 44 werden verwendet, um die Wasserstoffmenge zu steuern, die der Brennstoffzelle 66 während der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 66 zugeführt wird. Um die Brennstoffzelle 66 zur Erzeugung von Elektrizität zu veranlassen, wird das Hauptabsperrventil 53 geöffnet. Der Druck, welcher zu dieser Zeit von dem Hochdrucksensor 42 erfasst wird, ist ungefähr gleich dem Tankdruck. Der Hochdrucksensor 42 ist stromaufwärts des Druckreduzierventils 54, welches einer Vorrichtung zur Reduzierung des Drucks von Brenngas entspricht, und dem Injektor 55 montiert, und der von dem Hochdrucksensor 42 erfasste Gasdruck kann als der „Druck des Brenngases am Auslass des Brennstofftanks 60“ bezeichnet werden. Der Hochdrucksensor 42 wird auch als der „zweite Drucksensor“ bezeichnet.
Mit der Brennstoffzelle 66 ist auch eine Abgasleitung 39 verbunden. Die Abgasleitung 39 entspricht einer Leitung, durch die Anodenabgas, welches die anodenseitigen Strömungspfade in der Brennstoffzelle 66 durchströmt hat, aus der Brennstoffzelle 66 abgeführt wird. Die stromabwärtige Seite der Abgasleitung 39 kann zwischen dem Injektor 55 und der Brennstoffzelle 66 mit der Zuführleitung 32 verbunden sein, um ein von der Brennstoffzelle 66 abgeführtes Anodenabgas zurück in die Brennstoffzelle 66 zu führen. Das heißt, ein Strömungspfad zum Zirkulieren von Brenngas kann ausgebildet werden.
Die Steuerungseinheit 68 ist aus einem so genannten Mikrocomputer mit einer CPU, welche logische Operationen ausführt, einem ROM, einem RAM usw. aufgebaut. Die Steuerungseinheit 68 empfängt Erfassungssignale von verschiedenen Sensoren und führt verschiedene Steuerungen für das Brennstoffzellenfahrzeug 20 durch. Die verschiedenen Sensoren umfassen: Drucksensoren, wie den Befüllungsdrucksensor 41, den Hochdrucksensor 42, den Mitteldrucksensor 43 und den Niederdrucksensor 44, den Temperatursensor 45, den Deckelsensor 46; und den Strömungsratensensor 47, welche vorstehend beschrieben sind, sowie nicht gezeigte Sensoren, wie einen Gaspedalstellungssensor, einen Schaltstellungssensor und einen Fahrzeuggeschwindigkeitssensor. Die Steuerungseinheit 68 gibt insbesondere Ansteuersignale zu den verschiedenen vorstehend beschriebenen Ventilen, dem Antriebsmotor, verschiedenen Steuerungsvorrichtungen usw. aus. Die Steuerungseinheit 68 kann nicht einer einzelnen Steuerungseinheit entsprechen, welche sämtliche der folgenden Steuerungen durchführt: eine Steuerung eines Wasserstoff betankungsvorgangs, eine Steuerung in Zusammenhang mit einer Erfassung einer Anomalie der Drucksensoren, welche später beschrieben wird; und eine Steuerung eines Fahrbetriebs des Fahrzeugs. Die Steuerungseinheit 68 kann aus getrennten Steuerungseinheiten (elektronische Steuerungseinheiten (ECUs)) aufgebaut sein, welche diese Steuerungen getrennt durchführen und Informationen zueinander senden und voneinander empfangen.
Die Wasserstoffbetankungsvorrichtung 70 entspricht einer Vorrichtung zur Befüllung des Brennstofftanks 60 des Brennstoffzellenfahrzeugs 20 mit Wasserstoff und kann beispielsweise an Wasserstoffstationen bereitgestellt sein. Die Wasserstoffbetankungsvorrichtung 70 umfasst eine Wasserstoffspeichereinheit, nicht gezeigt, welche Hochdruckwasserstoff speichert, einen Wasserstoffzapfschlauch 76, welcher Hochdruckwasserstoff aus der Wasserstoffspeichereinheit führt, die an dem Spitzenende des Wasserstoffzapfschlauchs 76 vorgesehene Düse 72, einen Stationsdrucksensor 75 und eine Steuerungseinheit 78. Die Düse 72 entspricht einer Struktur, welche mit der Aufnahme 64 des Brennstoffzellenfahrzeugs 20 verbunden wird, wenn der Brennstofftank 60 mit Wasserstoff befüllt wird, und entspricht einer Struktur, welche einen Wasserstoffströmungspfad auf der Seite der Wasserstoffbetankungsvorrichtung 70, der an der Düse 72 offen ist, mit dem Befüllungsströmungspfad des Brennstoffzellenfahrzeugs 20 verbindet. Der Stationsdrucksensor 75 erfasst den Druck von Wasserstoff, welcher von der Wasserstoffbetankungsvorrichtung 70 zu dem Brennstofftank 60 geführt wird. Wenn die Düse 72 mit der Aufnahme 64 verbunden ist und ein Wasserstoffströmungspfad in der Wasserstoffbetankungsvorrichtung 70 mit dem Brennstofftank 60 kommuniziert, um den Brennstofftank 60 mit Wasserstoff zu füllen, ist der Stationsdrucksensor 75 bereit, den Tankdruck zu erfassen. Die Steuerungseinheit 78 ist aus einem Mikrocomputer mit einer CPU, welche logische Operationen durchführt, einem ROM, einem RAM usw. aufgebaut. Während einer Befüllung mit Wasserstoff kann die Steuerungseinheit 78 die Strömungsrate usw. von Wasserstoff, der dem Brennstoffzellenfahrzeug 20 zugeführt wird, unter Verwendung des von dem Stationsdrucksensor 75 erfassten Tankdrucks steuern. Die Wasserstoffbetankungsvorrichtung 70 umfasst ferner einen nicht gezeigten Vorkühler, welcher Wasserstoff vor dem Einfüllen auf eine vorbestimmte Temperatur abkühlt. Wenn der Brennstofftank 60 mit Wasserstoff befüllt wird, erhöht sich die Temperatur im Brennstofftank 60 aufgrund eines Phänomens, wie der so genannten adiabatischen Kompression. Ein übermäßiger Temperaturanstieg im Brennstofftank 60 wird durch Abkühlen des Wasserstoffs vor dem Einfüllen verhindert.
Obwohl in 1 nicht gezeigt, können das Brennstoffzellenfahrzeug 20 und die Wasserstoffbetankungsvorrichtung 70 mit einer Kommunikationsvorrichtung versehen sein, welche Informationen über die Befüllung des Brennstofftanks 60 mit Wasserstoff, wie beispielsweise Informationen einschließlich des Tankdrucks, zwischen dem Brennstoffzellenfahrzeug 20 und der Wasserstoffbetankungsvorrichtung 70 sendet bzw. überträgt. Eine solche Kommunikationsvorrichtung kann beispielsweise eine Vorrichtung zum Senden der vorstehenden Informationen von dem Brennstoffzellenfahrzeug 20 zu der Wasserstoffbetankungsvorrichtung 70 über eine Infrarotkommunikation sein.
Betrieb zur Erfassung einer Anomalie von Drucksensoren
2 ist ein Flussdiagramm einer Anomalieerfassungssteuerroutine, welche von der CPU der Steuerungseinheit 68 des Brennstoffzellenfahrzeugs 20 der vorliegenden Ausführungsform ausgeführt wird. 3 ist ein Zeitdiagramm, welches eine Übersicht über Vorgänge in Zusammenhang mit einer Anomalieerfassungssteuerung darstellt. Die Vorgänge, die durchgeführt werden, um eine Anomalie der Sensoren zu erfassen, die den Druck des Brenngases erfassen, insbesondere eine Anomalie des Befüllungsdrucksensors 41 und des Hochdrucksensors 42, werden unter Bezugnahme auf die 2 und 3 beschrieben.
Die in 2 gezeigte Anomalieerfassungssteuerroutine wird gestartet, wenn die Steuerungseinheit 68 bestimmt, dass eine Befüllung des Brennstofftanks 60 des Brennstoffzellenfahrzeugs 20 mit Wasserstoff gestartet wird. In der vorliegenden Ausführungsform bestimmt die Steuerungseinheit 68, dass eine Befüllung des Brennstofftanks 60 gestartet wird, wenn die Steuerungseinheit 68 ein Signal vom Deckelsensor 46 empfängt, welches anzeigt, dass der Deckel 24 geöffnet ist. In dem Fall, in dem das Brennstoffzellenfahrzeug 20 mit der vorstehenden Kommunikationsvorrichtung zur Kommunikation mit der Wasserstoffbetankungsvorrichtung 70 versehen ist, kann die Steuerungseinheit 68 bestimmen, dass eine Befüllung des Brennstofftanks 60 gestartet wird, wenn die Kommunikation gestartet wird. Das System des Brennstoffzellenfahrzeuges 20 befindet sich normalerweise in einem gestoppten Zustand, wenn der Brennstofftank 60 mit Wasserstoff befüllt wird. Das heißt, ein Startschalter zum Starten des Systems, der in dem Brennstoffzellenfahrzeug 20 vorgesehen ist, ist ausgeschaltet, wenn der Brennstofftank 60 mit Wasserstoff befüllt wird. Die Steuerungseinheit 68, welche die Anomalieerfassungssteuerroutine bei ausgeschaltetem Startschalter und gestopptem Brennstoffzellensystem 25 ausführt, verwendet als deren Leistungsquelle eine nicht gezeigte Leistungsspeichervorrichtung. Diese Leistungsspeichervorrichtung ist auf dem Brennstoffzellenfahrzeug 20 montiert und unterscheidet sich von der Brennstoffzelle 66.
Wenn der Deckel 24 des Brennstoffzellenfahrzeugs 20 geöffnet ist und die Anomalieerfassungssteuerroutine von 2 gestartet wird, bringt ein Nutzer, der einen Wasserstoffbetankungsvorgang durchführt, die Düse 72 der Wasserstoffbetankungsvorrichtung 70 an der Aufnahme 64 an. Wenn die Düse 72 an der Aufnahme 64 angebracht bzw. befestigt ist, beginnt die Wasserstoffbetankungsvorrichtung 70 mit der Zuführung von Wasserstoff zu dem Brennstofftank 60.
Wenn die Steuerungseinheit 68 den Beginn der Befüllung des Brennstofftanks 60 durch ein von dem Deckelsensor 46 empfangenes Signal erfasst (Schritt S100), erhält die Steuerungseinheit 68 ein Erfassungssignal des Befüllungsdrucksensors 41 und beginnt daher damit, einen Befüllungsgasdruck Pi zu erfassen, welcher dem Druck von Wasserstoff entspricht, welches dem Brennstofftank 60 zugeführt wird (Schritt S130). Wenn die Düse 72 an der Aufnahme 64 angebracht bzw. befestigt ist und die Wasserstoffbetankungsvorrichtung 70 mit der Wasserstoffzufuhr beginnt, steigt der Tankdruck allmählich an. Wie vorstehend beschrieben, ist der Druck, welcher von dem Befüllungsdrucksensor 41 während der Befüllung des Brennstofftanks 60 mit Brenngas erfasst wird, etwa gleich dem Tankdruck. Der Befüllungsgasdruck Pi wird daher als repräsentativ für den Tankdruck betrachtet.
3 veranschaulicht, wie sich der Befüllungsgasdruck Pi und ein Zuführgasdruck Po ändern und zu welchem Zeitpunkt die Anomalieerfassungssteuerung unter Verwendung des Befüllungsgasdrucks Pi und des Zuführgasdrucks Po durchgeführt wird. Der Befüllungsgasdruck Pi entspricht dem Gasdruck, welcher von dem an der Befüllungsleitung 30 montierten Befüllungsdrucksensor 41 erfasst wird, und der Zuführgasdruck Po entspricht dem Gasdruck, welcher von dem an der Zuführleitung 32 montierten Hochdrucksensor 42 erfasst wird. In 3 gibt die Zeit t1 den Zeitpunkt an, zu dem die Steuerungseinheit 68 mit der Erfassung des Befüllungsgasdrucks Pi in Schritt S130 nach der Erfassung des Starts der Befüllung in Schritt S100 beginnt. 3 zeigt, dass der Befüllungsgasdruck Pi, welcher dem Tankdruck entspricht, nach Beginn der Befüllung zu der Zeit t1 allmählich ansteigt. Da das Hauptabsperrventil 53 des Ventilmechanismus 62 während der Befüllung mit Wasserstoff geschlossen ist, ändert sich der Zuführgasdruck Po auch nach der Zeit t1 nicht. Die Steuerung, welche die Vorgänge von Schritt S130 bis Schritt S180 in 2 umfasst, wird auch als die „Anomalieerfassungssteuerung“ bezeichnet. 3 zeigt ferner, dass die Steuerungseinheit 68 die Anomalieerfassungssteuerung durch Starten der Erfassung des Befüllungsgasdrucks Pi in Schritt S130 zur Zeit t1 beginnt.
Die Steuerungseinheit 68 der vorliegenden Ausführungsform speichert einen darin gespeicherten maximalen Befüllungsdruck Pimax. Der maximale Befüllungsdruck Pimax entspricht einem Maximalwert der Befüllungsgasdrücke Pi, die seit Beginn der Erfassung des Befüllungsgasdrucks Pi in Schritt S130 erfasst wurden. Im Folgenden wird der maximale Befüllungsdruck Pimax manchmal einfach als der „Maximaldruck Pimax“ bezeichnet. Die CPU der Steuerungseinheit 68 beginnt mit der Erfassung des Befüllungsgasdrucks Pi in Schritt S130. Wenn ein neu erfasster Befüllungsgasdruck Pi dem Maximalwert der seit dem Beginn der Erfassung des Befüllungsgasdrucks Pi erfassten Befüllungsgasdrücke Pi entspricht, aktualisiert die CPU der Steuerungseinheit 68 den gespeicherten Maximaldruck Pimax mit dem neu erfassten Befüllungsgasdruck Pi (Schritt S 140). Wenn in Schritt S140 der neu erfasste Befüllungsgasdruck Pi nicht dem Maximalwert der seit dem Beginn der Erfassung des Befüllungsgasdrucks Pi erfassten Befüllungsgasdrücke Pi entspricht, hält die CPU der Steuerungseinheit 68 den gespeicherten Maximaldruck Pimax ohne Aktualisierung aufrecht.
In Schritt S140 können anstelle der Aktualisierung des gespeicherten Maximaldrucks Pimax mit dem neu erfassten Befüllungsgasdruck Pi beispielsweise die erfassten Befüllungsgasdrücke Pi chronologisch gespeichert werden, und der gespeicherte Maximaldruck Pimax kann mit dem Mittelwert einer Mehrzahl von zuletzt erfassten Befüllungsgasdrücken Pi aktualisiert werden. Der gespeicherte Maximaldruck Pimax kann mit einem Wert aktualisiert werden, welcher durch Mitteln von Schwankungen der erfassten Befüllungsgasdrücke Pi vor und nach dem tatsächlich gemessenen Maximalwert des Befüllungsgasdrucks Pi erhalten wird, wie beispielsweise dem vorstehend beschriebenen Mittelwert.
Nach Schritt S140 bestimmt die CPU der Steuerungseinheit 68, ob der Vorgang des Befüllens des Brennstofftanks 60 mit Wasserstoff (im Folgenden manchmal als der Befüllungsvorgang oder Befüllung bezeichnet) beendet bzw. abgeschlossen ist (Schritt S150). Wenn der Befüllungsvorgang durch die Wasserstoffbetankungsvorrichtung 70 fortschreitet und schließlich im Wesentlichen gestoppt ist, nimmt der Nutzer, welcher den Wasserstoffbetankungsvorgang durchführt, die Düse 72 der Wasserstoffbetankungsvorrichtung 70 aus der Aufnahme 64 heraus und schließt den Deckel 24. In Schritt S150 bestimmt die CPU der Steuerungseinheit 68 der vorliegenden Ausführungsform, dass der Befüllungsvorgang beendet ist, wenn die CPU der Steuerungseinheit 68 ein Signal vom Deckelsensor 46 empfängt, welches anzeigt, dass der Deckel 24 geschlossen ist.
Wenn die CPU der Steuerungseinheit 68 bestimmt, dass der Befüllungsvorgang nicht beendet ist (Schritt S150: NEIN), kehrt die Routine zu Schritt S140 zurück, und die CPU der Steuerungseinheit 68 erfasst wiederholt den Befüllungsgasdruck Pi und wiederholt den Vorgang zum Aktualisieren des gespeicherten Maximaldrucks Pimax mit einem neu erfassten Maximaldruck Pimax. Die CPU der Steuerungseinheit 68 wiederholt diesen Aktualisierungsvorgang des Maximaldrucks Pimax so lange, wie der Tankdruck während der Befüllung durch die Wasserstoffbetankungsvorrichtung 70 weiter ansteigt. Beispielsweise erreicht der Befüllungsgasdruck Pi seinen Maximalwert, wenn der Brennstofftank 60 vollständig voll wird, und somit wird der Befüllungsvorgang durch die Wasserstoffbetankungsvorrichtung 70 im Wesentlichen gestoppt. Der Maximaldruck Pimax ist daher zu dieser Zeit festgelegt. In 3 gibt die Zeit t2 den Zeitpunkt an, zu dem der Befüllungsvorgang durch die Wasserstoffbetankungsvorrichtung 70 im Wesentlichen gestoppt wird, das heißt, den Zeitpunkt, zu dem die Wasserstoffbetankungsvorrichtung 70 die Zuführung von Wasserstoff zu dem Brennstofftank 60 stoppt. Wie vorstehend beschrieben ist, wird, nachdem der Befüllungsvorgang durch die Wasserstoffbetankungsvorrichtung 70 im Wesentlichen gestoppt ist, die Düse 72 der Wasserstoffbetankungsvorrichtung 70 aus der Aufnahme 64 entfernt und der Deckel 24 wird geschlossen. Die CPU der Steuerungseinheit 68 bestimmt daher, dass der Befüllungsvorgang abgeschlossen ist. In 3 gibt die Zeit t3 den Zeitpunkt an, zu dem der Deckel 24 geschlossen wird und die CPU der Steuerungseinheit 68 bestimmt, dass der Befüllungsvorgang abgeschlossen ist. Da die Aufnahme 64 mit dem ersten Sperrventil 51 versehen ist, ist der Befüllungsgasdruck Pi, welcher dem vom Befüllungsdrucksensor 41 erfassten Gasdruck entspricht, auch nach der Zeit t2, wenn der Befüllungsvorgang durch die Wasserstoffbetankungsvorrichtung 70 im Wesentlichen gestoppt wird, etwa gleich dem Maximaldruck Pimax. Um genau zu sein, da die Wasserstoffgastemperatur in dem Brennstofftank 60 allmählich abnimmt, nimmt der Befüllungsgasdruck Pi langsam ab.
Wenn die CPU der Steuerungseinheit 68 bestimmt, dass der Befüllungsvorgang abgeschlossen ist (Schritt S150: JA), bestimmt die CPU der Steuerungseinheit 68, ob das Brennstoffzellenfahrzeug 20 gestartet wird (Schritt S160). Insbesondere bestimmt die CPU der Steuerungseinheit 68, ob der in dem Brennstoffzellenfahrzeug 20 vorgesehene Startschalter angeschaltet ist. Wenn das Brennstoffzellenfahrzeug 20 nicht gestartet wird (Schritt S160: NEIN), wiederholt die CPU der Steuerungseinheit 68 Schritt S160, bis diese bestimmt, dass das Brennstoffzellenfahrzeug 20 gestartet wird. Wenn der Startschalter angeschaltet wird und das Brennstoffzellensystem 25 gestartet wird, wird das Hauptabsperrventil 53 des Ventilmechanismus 62 geöffnet, um mit der Zuführung von Wasserstoff aus dem Brennstofftank 60 zur Brennstoffzelle 66 zu beginnen. In 3 gibt die Zeit t4 den Zeitpunkt an, zu dem das Brennstoffzellensystem 25 gestartet wird. Wenn das Hauptabsperrventil 53 zu der Zeit t4 geöffnet wird, steigt der Zuführgasdruck Po schnell auf den Tankdruck an. In dem Fall, in dem die Zeitspanne von der Zeit t3 bis zur Zeit t4 relativ kurz ist, ist der Tankdruck zu der Zeit, wenn das Brennstoffzellensystem 25 gestartet wird, etwa gleich dem Tankdruck zu der Zeit, wenn der Befüllungsvorgang beendet wird. Entsprechend ist in diesem Fall der Zuführgasdruck Po zu der Zeit t4 etwa gleich dem Maximaldruck Pimax, der zu der Zeit der Beendigung des Befüllungsvorgangs gespeichert wird.
Wenn die CPU der Steuerungseinheit 68 bestimmt, dass das Brennstoffzellenfahrzeug 20 gestartet ist (Schritt S160: JA), erhält die CPU der Steuerungseinheit 68 ein Erfassungssignal des Hochdrucksensors 42 und erfasst daher den Zuführgasdruck Po, das heißt, den Druck von Wasserstoff, welches aus dem Brennstofftank 60 zu der Brennstoffzelle 66 geführt wird (Schritt S170). Der in Schritt S170 erfasste Zuführgasdruck Po entspricht dem Wert des Zuführgasdrucks Po, welcher von dem Hochdrucksensor 42 erfasst wird, wenn die Zuführung von Wasserstoff aus dem Brennstofftank 60 zu der Brennstoffzelle 66 nach Beendigung des Befüllungsvorgangs zum ersten Mal gestartet wird, und wird auch als der „Zuführstartdruck“ bezeichnet. Die CPU der Steuerungseinheit 68 bestimmt dann, ob eine Anomalie bei den Drucksensoren vorliegt, indem der in Schritt S140 gespeicherte Maximaldruck Pimax mit dem in Schritt S170 erfassten Zuführgasdruck Po verglichen wird (Schritt S180). Damit beendet die CPU der Steuerungseinheit 68 diese Routine. 3 zeigt, dass die Anomalieerfassungssteuerung zu der Zeit t4 beendet wird.
In Schritt S180 bestimmt die CPU der Steuerungseinheit 68, dass sowohl der Befüllungsdrucksensor 41 als auch der Hochdrucksensor 42 normal sind, wenn die Differenz zwischen dem Maximaldruck Pimax und dem Zuführgasdruck Po gleich oder kleiner als ein vorbestimmter Referenzwert ist. Wenn die Differenz zwischen dem Maximaldruck Pimax und dem Zuführgasdruck Po größer als der Referenzwert ist, bestimmt die CPU der Steuerungseinheit 68, dass eine Möglichkeit besteht, dass der Befüllungsdrucksensor 41 und/oder der Hochdrucksensor 42 anormal sein kann/können. Der Referenzwert wird im Hinblick auf die Erfassungsgenauigkeit des Befüllungsdrucksensors 41 und des Hochdrucksensors 42 im Voraus eingestellt. Der Referenzwert wird im Voraus auf den Maximalwert derjenigen möglichen Differenzen zwischen dem Erfassungswert des Befüllungsdrucksensors 41 und dem Erfassungswert des Hochdrucksensors 42 eingestellt, welche erhalten werden können, wenn der Tankdruck des vollständig vollen Brennstofftanks 60 von dem Befüllungsdrucksensor 41 und dem Hochdrucksensor 42 individuell gemessen wird, wenn sowohl der Befüllungsdrucksensor 41 als auch der Hochdrucksensor 42 normal sind. Wenn die CPU der Steuerungseinheit 68 in Schritt S180 bestimmt, dass die Differenz zwischen dem Maximaldruck Pimax und dem Zuführgasdruck Po größer als der Referenzwert ist, besteht eine Möglichkeit, dass der an der Zuführleitung 32 montierte Hochdrucksensor 42 anormal sein kann. In diesem Fall kann die CPU der Steuerungseinheit 68 eine Bewegung des Brennstoffzellenfahrzeugs 20 verhindern.
Gemäß dem wie vorstehend beschrieben konfigurierten Brennstoffzellensystem 25 der vorliegenden Ausführungsform verringert sich die Möglichkeit, dass die Drucksensoren fälschlicherweise als anormal bestimmt werden können, auch in dem Fall, in dem der Druck in dem Befüllungsströmungspfad nach der Befüllung des Brennstofftanks 60 mit Wasserstoff abnimmt, da die Luftdichtheit des ersten Sperrventils 51 beispielsweise durch Fremdkörper beeinträchtigt ist, die sich in der Aufnahme 64 verfangen haben. In dem Fall, in dem es kein derartiges Problem mit der Aufnahme 64 usw. gibt, ist der Befüllungsgasdruck Pi während der Zeitdauer von der Zeit t2, wenn der Befüllungsvorgang im Wesentlichen gestoppt ist, bis zu der Zeit t3, wenn die CPU der Steuerungseinheit 68 bestimmt, dass der Befüllungsvorgang abgeschlossen ist, annähernd gleich. Entsprechend kann beispielsweise die CPU der Steuerungseinheit 68 in einer ähnlichen Art und Weise wie bei der Ausführungsform auch durch Vergleichen des vom Befüllungsdrucksensor 41 zu der Zeit t3 erhaltenen Befüllungsgasdrucks Pi mit dem vom Hochdrucksensor 42 zu der Zeit t4, das heißt, beim nächsten Start des Brennstoffzellensystems 25, erhaltenen Zuführgasdruck Po bestimmen, ob eine Anomalie bei den Drucksensoren vorliegt. In dem Fall, in dem jedoch ein solches Problem bei der Aufnahme 64 usw. vorliegt, sinkt der Befüllungsgasdruck Pi, welcher dem Druck in der Befüllungsleitung 30 entspricht, während der Zeitspanne von der Zeit t2, wenn der Befüllungsvorgang im Wesentlichen gestoppt ist, bis zu der Zeit t3. In 3 ist durch eine gestrichelte Linie dargestellt, wie der Befüllungsgasdruck Pi nach der Zeit t2 allmählich abnimmt.
In diesem Fall ist der Befüllungsgasdruck Pi, welcher zu der Zeit t3 erfasst wird, wenn die CPU der Steuerungseinheit 68 bestimmt, dass der Befüllungsvorgang abgeschlossen ist, niedriger als der Tankdruck, welcher zu der Zeit t2 erfasst wird, wenn der Befüllungsvorgang im Wesentlichen gestoppt ist. Wenn die CPU der Steuerungseinheit 68 durch Vergleichen des zu der Zeit t3 erfassten Befüllungsgasdrucks Pi mit dem zu der Zeit t4 erfassten Zuführgasdruck Po bestimmt, ob eine Anomalie bei den Drucksensoren vorliegt, ist die Differenz zwischen dem Befüllungsgasdruck Pi und dem Zuführgasdruck Po entsprechend groß, und daher kann die CPU der Steuerungseinheit 68 bestimmen, dass eine Anomalie bei dem Befüllungsdrucksensor 41 und dem Hochdrucksensor 42 vorliegt, auch wenn beide Sensoren normal sind. Der Erfassungswert des Befüllungsdrucksensors 41, welcher bei der vorliegenden Ausführungsform verwendet wird, ist nicht der Wert des Befüllungsgasdrucks Pi, welcher erfasst wird, wenn die CPU der Steuerungseinheit 68 bestimmt, dass der Befüllungsvorgang abgeschlossen ist, sondern der Maximaldruck Pimax, welcher dem Maximalwert der während der Befüllung erfassten Befüllungsgasdrücke Pi entspricht. Der vorstehende Maximaldruck Pimax wird zu der Zeit, wenn der Befüllungsvorgang im Wesentlichen gestoppt ist, als im Wesentlichen gleich dem Druck in dem Brennstofftank 60 angesehen. Entsprechend verringert sich die Möglichkeit, dass die Drucksensoren fälschlicherweise als anormal bestimmt werden, auch in dem Fall, in dem der Druck in dem Befüllungsströmungspfad nach der Befüllung des Brennstofftanks 60 mit Wasserstoff abnimmt. Der Befüllungsgasdruck Pi nimmt während der Zeitdauer von der Zeit t2 bis zu der Zeit t3 nicht nur in dem Fall ab, in dem die Luftdichtheit wie vorstehend beschrieben bei der Aufnahme 64 beeinträchtigt ist, sondern auch in dem Fall, in dem nach der Befüllung des Brennstofftanks 60 mit Wasserstoff eine Luftdichtheit an irgendeiner Stelle in dem Befüllungsströmungspfad beeinträchtigt ist.
Zweite Ausführungsform
In der ersten Ausführungsform wird die Anomalieerfassungssteuerung, welche die Vorgänge von Schritt S130 bis Schritt S180 von 2 umfasst, zu der Zeit t1 gestartet, wenn mit der Befüllung begonnen wird. Die vorliegende Offenbarung kann jedoch unterschiedliche Konfigurationen besitzen. Beispiele, bei denen sich der Zeitpunkt, zu dem die Anomalieerfassungssteuerung gestartet wird, von der ersten Ausführungsform unterscheidet, werden nachstehend in den zweiten bis vierten Ausführungsformen beschrieben. Da die Brennstoffzellensysteme 25 der nachstehend beschriebenen zweiten bis fünften Ausführungsformen eine Konfiguration besitzen, welche dieser der ersten Ausführungsform ähnlich ist, werden die gleichen Abschnitte wie diese der ersten Ausführungsform mit den gleichen Zeichen wie diese der ersten Ausführungsform bezeichnet, und eine detaillierte Beschreibung davon wird weggelassen.
4 ist ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen der Befüllungszeit zur Befüllung des Brennstofftanks 60 mit Wasserstoff und dem Druckverlust und der Befüllungsströmungsrate darstellt. Die Befüllungszeit auf der Abszisse entspricht der verstrichenen Zeit ab der Zeit t1 von 3, wenn mit dem Befüllen begonnen wird. Der Druckverlust entspricht dem Druckverlust, welcher auftritt, wenn Brenngas durch die Befüllungsleitung 30 strömt, und bezieht sich auf den Druckverlust, welcher zwischen dem Teil der Befüllungsleitung 30, an dem der Befüllungsdrucksensor 41 montiert ist, und dem Brennstofftank 60 auftritt. Die Befüllungsströmungsrate entspricht der Strömungsrate des durch den Befüllungsströmungspfad strömenden Brenngases. Wie in 4 gezeigt ist, zeigen der Druckverlust und die Befüllungsströmungsrate in der Befüllungsleitung 30 beim Befüllen des Brennstofftanks 60 mit Wasserstoff eine Tendenz, um nach dem Beginn der Befüllung für eine Weile anzusteigen, danach jedoch eine Tendenz zur Abnahme.
Wenn die Wasserstoffbetankungsvorrichtung 70 den Brennstofftank 60 mit Wasserstoff befüllt, hält die Wasserstoffbetankungsvorrichtung 70 eine konstante Druckzunahmerate aufrecht, ein Anstieg des Tankdrucks verlangsamt sich jedoch allmählich. Entsprechend steigen die Strömungsgeschwindigkeit und die Befüllungsströmungsrate des in dem Befüllungsströmungspfad strömenden Wasserstoffs nach dem Beginn der Befüllung eine Weile an, nehmen danach jedoch ab. Es wird davon ausgegangen, dass der Druckverlust durch einen Verlust in einer geraden Leitung einschließlich einer Reibungskraft, die zwischen Gas und der Wandoberfläche des Strömungspfades erzeugt wird, einen Kontraktionsverlust und einen Biegeverlust usw. beeinflusst wird. In der vorliegenden Ausführungsform wird davon ausgegangen, dass der Druckverlust stark durch den Leitungswiderstand beeinflusst wird, der sich aus den vorstehenden Verlusten zusammensetzt, und insbesondere durch die Strömungsgeschwindigkeit von Wasserstoff, der ein kompressibles Fluid ist, beeinflusst wird. Entsprechend zeigen, wie in 4 gezeigt ist, der Druckverlust und die Befüllungsströmungsrate ein bestimmtes Muster, das durch Befüllungsbedingungen, wie die Temperatur des Brenngases, welches von der Wasserstoffbetankungsvorrichtung 70 zugeführt wird, die Leitungsgestalt des Befüllungsströmungspfades und den Zustand der Drucksteuerung während der Befüllung, bestimmt wird.
Eine Druckverlustschwelle, die einem Referenzwert entspricht, welcher verwendet wird, um zu bestimmen, dass der Druckverlust während der Befüllung ausreichend verringert wird, kann, wie in 4 gezeigt, bestimmt werden. Diese Druckverlustschwelle entspricht einem Wert, der angibt, dass selbst in dem Fall, in dem der Erfassungswert des Befüllungsdrucksensors 41 aufgrund des Druckverlustes höher wird als ein tatsächlicher Tankdruck, der Druckverlust so weit verringert wird, dass der Erfassungswert des Befüllungsdrucksensors 41 nicht größer wird als der Tankdruck am Ende der Befüllung. Diese Druckverlustschwelle kann sich in Abhängigkeit von der Genauigkeit des Befüllungsdrucksensors 41 und des Hochdrucksensors 42, die zu verwenden sind, von strukturellen Faktoren, welche die vorstehende Reibungskraft beeinflussen, wie beispielsweise die Gestalt der Befüllungsleitung, Bedingungen während der Befüllung usw., ändern und kann gemäß der Konfiguration des Brennstoffzellensystems 25 im Voraus bestimmt werden. Die Druckverlustschwelle wird auch als der „Bestimmungswert“ bezeichnet.
Die Systemkonfiguration des Brennstoffzellensystems 25 der vorliegenden Ausführungsform wird vereinfacht, indem als der Tankdruck der Erfassungswert des an der Befüllungsleitung 30 montierten Befüllungsdrucksensors 41 verwendet wird, anstatt einen Drucksensor direkt am Brennstofftank 60 anzubringen. Es ist daher schwierig, den Druckverlust während der Befüllen zu erfassen. In der zweiten Ausführungsform wird die vom Strömungsratensensor 47 erfasste Befüllungsströmungsrate (Massenströmungsrate) verwendet, um zu bestimmen, ob der Druckverlust während der Befüllung als ausreichend verringert eingeschätzt wird, das heißt, ob der Druckverlust während der Befüllung auf die Druckverlustschwelle verringert wird.
Wie vorstehend beschrieben ist, zeigen der Druckverlust und die Befüllungsströmungsrate ein bestimmtes Muster, wie in 4 gezeigt, gemäß dem Zustand der Drucksteuerung während der Befüllung usw. Eine solche Beziehung zwischen dem Druckverlust und der Befüllungsströmungsrate kann im Voraus experimentell oder durch Simulationen erhalten werden. In der zweiten Ausführungsform wird unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Beziehung zwischen dem Druckverlust und der Befüllungsströmungsrate vorab eine Referenzströmungsrate Fa bestimmt. Die Referenzströmungsrate Fa entspricht einem Referenzwert der Befüllungsströmungsrate, mit dem bestimmt wird, ob der Druckverlust während der Befüllung auf die Druckverlustschwelle verringert wird. 4 zeigt, dass die Befüllungsströmungsrate zu der Befüllungszeit tα, wenn der Druckverlust auf die Druckverlustschwelle abnimmt, als die Referenzströmungsrate Fa bestimmt wird. Die Referenzströmungsrate Fa wird durch den Wert der eingestellten Druckverlustschwelle und die Beziehung zwischen dem Druckverlust und der Befüllungsströmungsrate bestimmt. Die Referenzströmungsrate Fa kann beispielsweise auf 30 g/Sek. eingestellt sein.
5 ist ein Flussdiagramm einer Anomalieerfassungssteuerroutine, die von der CPU der Steuerungseinheit 68 des Brennstoffzellenfahrzeugs 20 der zweiten Ausführungsform ausgeführt wird. 6 ist ein Zeitdiagramm, welches eine Übersicht über Vorgänge in Zusammenhang mit der Anomalieerfassungssteuerung darstellt. Die Vorgänge, welche durchgeführt werden, um eine Anomalie des Befüllungsdrucksensors 41 und des Hochdrucksensors 42 zu erfassen, werden unter Bezugnahme auf die 5 und 6 beschrieben. In 5 werden die gleichen Schritte wie diese in 2 mit den gleichen Schrittnummern bezeichnet.
Die Steuerungseinheit 68 führt die Anomalieerfassungssteuerroutine gemäß 5 anstelle der Anomalieerfassungssteuerroutine der in 2 gezeigten ersten Ausführungsform aus. Wenn die CPU der Steuerungseinheit 68 der zweiten Ausführungsform den Beginn der Befüllung des Brennstofftanks 60 mit Wasserstoff erfasst (Schritt S100), erhält die CPU der Steuerungseinheit 68 ein Erfassungssignal von dem Strömungsratensensor 47 und beginnt daher damit, eine Befüllungsströmungsrate F zu überwachen (Schritt S102). Die Befüllungsströmungsrate F entspricht der Strömungsrate von Wasserstoff, welcher dem Brennstofftank 60 zugeführt wird.
Ähnlich wie 3 stellt 6 dar, wie sich der Befüllungsgasdruck Pi und der Zuführgasdruck Po ändern und zu welcher Zeit die Anomalieerfassungssteuerung unter Verwendung des Befüllungsgasdrucks Pi und des Zuführgasdrucks Po durchgeführt wird. 6 veranschaulicht außerdem, wie sich die Befüllungsströmungsrate F ändert. In 6 ist das Muster, in dem sich die Befüllungsströmungsrate F ändert, im Vergleich zu 4 vereinfacht gezeigt. In der zweiten Ausführungsform wird, anders als in der ersten Ausführungsform, die Anomalieerfassungssteuerung mit Erfassung des Befüllungsgasdrucks Pi nicht zu der Zeit t1 gestartet, wenn der Beginn der Befüllung in Schritt S100 erfasst wird, wie in 6 gezeigt ist.
Nachdem die CPU der Steuerungseinheit 68 in Schritt S102 mit der Überwachung der Befüllungsströmungsrate F beginnt, bestimmt die CPU der Steuerungseinheit 68, ob eine Änderung der Befüllungsströmungsrate F mit der Zeit von einem Anstieg zu einer Abnahme wechselt (Schritt S104). Das heißt, nach Schritt S102 führt die CPU der Steuerungseinheit 68 wiederholt den Vorgang zum Erhalten des Erfassungswerts des Strömungsratensensors 47 durch und bestimmt, ob der Änderungsbetrag der Befüllungsströmungsrate F, welcher der Differenz zwischen dem aktuellen und dem vorherigen Erfassungswert des Strömungsratensensors 47 entspricht, von einem Zustand, in dem die Differenz mit einem positiven Wert fortfährt, in einen Zustand übergeht bzw. wechselt, in dem die Differenz mit einem negativen Wert fortfährt. Die CPU der Steuerungseinheit 68 wiederholt den Vorgang von Schritt S104 so lange, wie die CPU der Steuerungseinheit 68 bestimmt, dass die Änderung der Befüllungsströmungsrate F mit der Zeit nicht von einem Anstieg auf eine Abnahme übergeht (Schritt S104: NEIN).
Wenn die CPU der Steuerungseinheit 68 bestimmt, dass die Änderung der Befüllungsströmungsrate F mit der Zeit von einem Anstieg auf eine Abnahme wechselt (Schritt S104: JA), vergleicht die CPU der Steuerungseinheit 68 die Befüllungsströmungsrate F mit der vorstehend beschriebenen Referenzströmungsrate Fa (Schritt S106). Das heißt, nach Schritt S104 wiederholt die CPU der Steuerungseinheit 68 den Vorgang zum Erhalten des Erfassungswerts des Strömungsratensensors 47 und zum Vergleichen der erhaltenen Befüllungsströmungsrate F mit der Referenzströmungsrate Fa. Die CPU der Steuerungseinheit 68 wiederholt den Vorgang von Schritt S106 so lange, wie die CPU der Steuerungseinheit 68 bestimmt, dass die erhaltene Befüllungsströmungsrate F höher ist als die Referenzströmungsrate Fa (Schritt S106: NEIN).
Wenn die CPU der Steuerungseinheit 68 bestimmt, dass die erhaltene Befüllungsströmungsrate F gleich oder kleiner als die Referenzströmungsrate Fa ist (Schritt S106: JA), führt die CPU der Steuerungseinheit 68 die Anomalieerfassungssteuerung einschließlich der Vorgänge der Schritte S130 bis S180 aus, welche der Anomalieerfassungssteuerung der ersten Ausführungsform ähnlich ist. Die CPU der Steuerungseinheit 68 beendet dann diese Routine. Das heißt, die CPU der Steuerungseinheit 68 beginnt mit der Erfassung des Befüllungsgasdrucks Pi und erhält den Maximaldruck Pimax, und bestimmt durch Vergleichen des Maximaldrucks Pimax mit dem Zuführgasdruck Po, ob eine Anomalie bei den Drucksensoren vorliegt. In 6 gibt die Zeit tα den Zeitpunkt an, zu dem die CPU der Steuerungseinheit 68 bestimmt, dass die erhaltene Befüllungsströmungsrate F gleich oder kleiner als die Referenzströmungsrate Fa ist. 6 zeigt ferner, dass die Anomalieerfassungssteuerung zu der Zeit tα gestartet wird.
Diese Konfiguration verbessert die Genauigkeit der Anomaliebestimmung für die Drucksensoren zusätzlich zu den Effekten, die denen der ersten Ausführungsform ähnlich sind. Das heißt, dass der Wert des Befüllungsgasdrucks Pi, welcher bei hohem Druckverlust in dem Befüllungsströmungspfad erfasst wird, mit geringerer Wahrscheinlichkeit als der Maximaldruck Pimax gespeichert wird, der höher ist als der Tankdruck am Ende der Befüllung. Entsprechend verringert sich die Möglichkeit, dass die Drucksensoren fälschlicherweise als anormal bestimmt werden, obwohl die Drucksensoren normal sind, da der Maximaldruck Pimax höher als der Zuführgasdruck Po ist.
Während der Befüllung wird mit zunehmendem Druckverlust in dem Befüllungsströmungspfad der Druck, der vom Befüllungsdrucksensor 41 als der Tankdruck erfasst wird, höher als der tatsächliche Druck im Brennstofftank 60. Wenn in diesem Fall unter Verwendung des aus den Erfassungswerten des Befüllungsdrucksensors 41 hergeleiteten Maximaldrucks Pimax bestimmt wird, ob eine Anomalie bei den Drucksensoren vorliegt, besteht eine Möglichkeit, dass der von dem Befüllungsdrucksensor 41 bei großem Druckverlust während der Befüllung erfasste Wert anstelle eines wahren bzw. tatsächlichen Maximaldrucks am Ende der Befüllung des Brennstofftanks 60 als der Maximaldruck Pimax hergeleitet werden kann. Wenn unter Verwendung des Drucks, der höher ist als der wahre Maximaldruck am Ende der Befüllung, als der Maximaldruck Pimax, bestimmt wird, ob eine Anomalie bei den Drucksensoren vorliegt (Schritt S180 in 2), können die Drucksensoren fälschlicherweise als anormal bestimmt werden, auch wenn die Drucksensoren normal sind, da der Maximaldruck Pimax höher ist als der in Schritt S170 bestimmte Zuführgasdruck Po. Bei dem Brennstoffzellensystem 25 der zweiten Ausführungsform wird die Erfassung des Befüllungsgasdrucks Pi, welche durchgeführt wird, um den Maximaldruck Pimax zu erhalten, gestartet, nachdem der Druckverlust während der Befüllung als ausreichend verringert eingeschätzt wird. Entsprechend wird die Möglichkeit einer solchen fehlerhaften Anomaliebestimmung reduziert, selbst wenn der Druckverlust während der Befüllung zunimmt.
Dritte Ausführungsform
In der dritten Ausführungsform wird eine Anomalieerfassungssteuerung für die Drucksensoren mit einer Aktualisierung des Maximaldrucks Pimax durchgeführt, nachdem der Druckverlust während der Befüllung als ausreichend verringert eingeschätzt wird, wie in der zweiten Ausführungsform. In der dritten Ausführungsform wird die vom Befüllungsdrucksensor 41 erfasste Zunahmerate des Befüllungsgasdrucks Pi (im Folgenden auch als die Druckzunahmerate ΔPi bezeichnet) verwendet, um zu bestimmen, ob der Druckverlust während der Befüllung auf die Druckverlustschwelle verringert ist. In der vorliegenden Ausführungsform entspricht die Druckzunahmerate ΔPi einem Anstieg des Befüllungsgasdrucks Pi pro Zeiteinheit. Die Druckzunahmerate ΔPi kann jedoch beispielsweise dem Verhältnis des vorliegenden Erfassungswerts zu dem vorherigen Erfassungswert des Befüllungsgasdrucks Pi entsprechen, der in regelmäßigen Zeitabständen erfasst wird.
7 ist ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen der Befüllungszeit zum Befüllen des Brennstofftanks 60 mit Wasserstoff und dem Druckverlust und der Druckzunahmerate darstellt. Die Befüllungszeit und der Druckverlust sind diesen von 4 der zweiten Ausführungsform ähnlich. Die Druckzunahmerate entspricht der Rate der Zunahme bzw. des Anstiegs des Drucks des durch den Befüllungsströmungspfad strömenden Brenngases, wie vorstehend beschrieben. Wie in 7 gezeigt ist, zeigen beim Befüllen des Brennstofftanks 60 mit Wasserstoff der Druckverlust und die Druckzunahmerate nach dem Beginn der Befüllung für eine gewisse Zeit eine Tendenz zum Ansteigen, zeigen danach jedoch eine Tendenz zum Abfallen. Wie vorstehend beschrieben, ist dies darauf zurückzuführen, dass die Wasserstoffbetankungsvorrichtung 70 beim Befüllen des Brennstofftanks 60 mit Wasserstoff eine konstante Druckzunahmerate aufrechterhält, ein Druckanstieg im Brennstofftank 60 verlangsamt sich jedoch allmählich. Entsprechend zeigen, wie in 7 gezeigt, der Druckverlust und die Druckzunahmerate ein bestimmtes Muster, welches von Befüllungsbedingungen, wie der Temperatur des von der Wasserstoffbetankungsvorrichtung 70 zugeführten Brenngases, der Leitungsgestalt des Befüllungsströmungspfads und dem Drucksteuerungszustand während der Befüllung, bestimmt wird.
Eine solche Beziehung zwischen dem Druckverlust und der Druckzunahmerate kann vorab experimentell oder durch Simulationen erhalten werden. In der dritten Ausführungsform wird unter Verwendung dieser Beziehung zwischen dem Druckverlust und der Druckzunahmerate im Voraus eine Referenzrate ΔPia bestimmt. Die Referenzrate APia entspricht einem Referenzwert der Druckzunahmerate, welcher verwendet wird, um zu bestimmen, ob der Druckverlust während der Befüllung auf die Druckverlustschwelle verringert ist. 7 zeigt, dass die Druckzunahmerate zur Befüllungszeit tβ, wenn der Druckverlust auf die Druckverlustschwelle abfällt, als die Referenzrate APia bestimmt wird. Die Referenzrate APia wird durch den Wert der eingestellten Druckverlustschwelle und der Beziehung zwischen dem Druckverlust und der Druckzunahmerate bestimmt. Eine solche Referenzrate APia kann beispielsweise auf 23 MPa/Min. eingestellt sein. Die Referenzrate APia wird auch als die „erste Referenzrate“ bezeichnet.
8 ist ein Flussdiagramm einer Anomalieerfassungssteuerroutine, welche von der CPU der Steuerungseinheit 68 des Brennstoffzellenfahrzeugs 20 der dritten Ausführungsform ausgeführt wird. 9 ist ein Zeitdiagramm, welches eine Übersicht über Vorgänge in Zusammenhang mit einer Anomalieerfassungssteuerung darstellt. Die Vorgänge, welche durchgeführt werden, um eine Anomalie des Befüllungsdrucksensors 41 und des Hochdrucksensors 42 zu erfassen, werden unter Bezugnahme auf die 8 und 9 beschrieben. In 8 sind die gleichen Schritte wie diese von 2 mit den gleichen Schrittnummern bezeichnet.
Die Steuerungseinheit 68 führt die Anomalieerfassungssteuerroutine von 8 anstelle der in 2 gezeigten Anomalieerfassungssteuerroutine der ersten Ausführungsform aus. Wenn die CPU der Steuerungseinheit 68 der dritten Ausführungsform den Beginn der Befüllung des Brennstofftanks 60 mit Wasserstoff erfasst (Schritt S100), erhält die CPU der Steuerungseinheit 68 ein Erfassungssignal von dem Befüllungsdrucksensor 41 und beginnt damit, die Druckzunahmerate ΔPi zu überwachen (Schritt S112). Die Druckzunahmerate Pi entspricht der Rate der Zunahme des Drucks in dem Befüllungsströmungspfad.
Ähnlich wie 3 stellt 9 dar, wie sich der Befüllungsgasdruck Pi und der Zuführgasdruck Po ändern und zu welchem Zeitpunkt eine Anomalieerfassungssteuerung unter Verwendung des Befüllungsgasdrucks Pi und des Zuführgasdrucks Po durchgeführt wird. 9 veranschaulicht auch, wie sich die Druckzunahmerate ΔPi ändert. In 9 ist das Muster, in dem sich die Druckzunahmerate ΔPi ändert, im Vergleich zu 7 vereinfacht dargestellt. In der dritten Ausführungsform wird, anders als in der ersten Ausführungsform, die Anomalieerfassungssteuerung nicht zu der Zeit t1 gestartet, wenn der Beginn der Befüllung in Schritt S100 erfasst wird, wie in 9 gezeigt ist.
Nachdem die CPU der Steuerungseinheit 68 mit der Überwachung der Druckzunahmerate ΔPi in Schritt S112 beginnt, bestimmt die CPU der Steuerungseinheit 68, ob eine Änderung der Druckzunahmerate ΔPi im Zeitverlauf von einer Zunahme auf eine Abnahme wechselt (Schritt S114). Das heißt, nach Schritt S112 führt die CPU der Steuerungseinheit 68 wiederholend den Vorgang zum Erhalten des Erfassungswerts des Befüllungsdrucksensors 41 durch und berechnet die Druckzunahmerate ΔPi, und bestimmt, ob der Betrag der Änderung der Druckzunahmerate ΔPi, welcher der Differenz zwischen der aktuellen und der vorherigen Druckzunahmerate ΔPi entspricht, von einem Zustand, in dem die Differenz fortlaufend einen positiven Wert annimmt bzw. mit einem positiven Wert fortfährt, in einen Zustand übergeht, in dem die Differenz fortlaufend einen negativen Wert annimmt bzw. mit einem negativen Wert fortfährt. Die CPU der Steuerungseinheit 68 wiederholt den Vorgang von Schritt S114 so lange, wie die CPU der Steuerungseinheit 68 bestimmt, dass die Änderung der Druckzunahmerate ΔPi im Zeitverlauf nicht von einer Zunahme auf eine Abnahme wechselt bzw. übergeht (Schritt S114: NEIN).
Wenn die CPU der Steuerungseinheit 68 bestimmt, dass die Änderung der Druckzunahmerate ΔPi im Zeitverlauf von einer Zunahme auf eine Abnahme wechselt (Schritt S114: JA), vergleicht die CPU der Steuerungseinheit 68 die berechnete Druckzunahmerate ΔPi mit der vorstehend beschriebenen Referenzrate APia (Schritt S116). Das heißt, nach Schritt S114 wiederholt die CPU der Steuerungseinheit 68 den Vorgang zum Erhalten des Erfassungswerts des Befüllungsdrucksensors 41, zum Berechnen der Druckzunahmerate ΔPi und zum Vergleichen der berechneten Druckzunahmerate ΔPi mit der Referenzrate ΔPia. Die CPU der Steuerungseinheit 68 wiederholt den Vorgang von Schritt S116 solange wie die CPU der Steuerungseinheit 68 bestimmt, dass die berechnete Druckzunahmerate ΔPi höher als die Referenzrate APia ist (Schritt S116: NEIN).
Wenn die CPU der Steuerungseinheit 68 bestimmt, dass die berechnete Druckzunahmerate ΔPi gleich oder niedriger als die Referenzrate APia ist (Schritt S116: JA), führt die CPU der Steuerungseinheit 68 die Anomalieerfassungssteuerung einschließlich der Vorgänge der Schritte S130 bis S180 aus, welche der Anomalieerfassungssteuerung der ersten Ausführungsform ähnlich ist. Die CPU der Steuerungseinheit 68 beendet dann diese Routine. Das heißt, die CPU der Steuerungseinheit 68 beginnt mit der Erfassung des Befüllungsgasdrucks Pi und aktualisiert den Maximaldruck Pimax, und bestimmt durch Vergleichen des Maximaldrucks Pimax mit dem Zuführgasdruck Po, ob eine Anomalie bei den Drucksensoren vorliegt. In 9 gibt die Zeit tβ den Zeitpunkt an, zu dem die CPU der Steuerungseinheit 68 bestimmt, dass die berechnete Druckzunahmerate ΔPi gleich oder niedriger als die Referenzrate APia ist. 9 zeigt ferner, dass die Anomalieerfassungssteuerung zu der Zeit tβ gestartet wird.
Diese Konfiguration verbessert die Genauigkeit der Anomaliebestimmung für die Drucksensoren zusätzlich zu den Effekten, die denen der ersten Ausführungsform ähnlich sind, weiter. Das heißt, dass der Wert des Befüllungsgasdrucks Pi, der bei hohem Druckverlust in dem Befüllungsströmungspfad erfasst wird, mit geringerer Wahrscheinlichkeit als der Maximaldruck Pimax gespeichert wird, der höher ist als der Tankdruck am Ende der Befüllung. Entsprechend verringert sich die Möglichkeit, dass die Drucksensoren fälschlicherweise als anormal bestimmt werden, obwohl die Drucksensoren normal sind, da der Maximaldruck Pimax höher als der Zuführgasdruck Po ist.
In der vorstehend beschriebenen dritten Ausführungsform wird der Erfassungswert des Befüllungsdrucksensors 41 bei der Überwachung der Druckzunahmerate ΔPi in den Schritten S112 bis S116 verwendet. Die vorliegende Offenbarung kann jedoch eine andere Konfiguration besitzen. Wenn beispielsweise das Brennstoffzellenfahrzeug 20 den Erfassungswert des Stationsdrucksensors 75 der Wasserstoffbetankungsvorrichtung 70 über eine Kommunikation zwischen dem Brennstoffzellenfahrzeug 20 und der Wasserstoffbetankungsvorrichtung 70 erhalten kann, kann das Brennstoffzellenfahrzeug 20 die Druckzunahmerate ΔPi unter Verwendung des Erfassungswerts des Stationsdrucksensors 75 überwachen.
Vierte Ausführungsform
In der vierten Ausführungsform wird eine Anomalieerfassungssteuerung für die Drucksensoren einschließlich einer Aktualisierung des Maximaldrucks Pimax durchgeführt, nachdem der Druckverlust während der Befüllung als ausreichend verringert eingeschätzt wird, wie in der zweiten Ausführungsform. In der vierten Ausführungsform wird die vom Temperatursensor 45 erfasste Zunahmerate der Temperatur Tx im Brennstofftank 60 verwendet, um zu bestimmen, ob der Druckverlust während der Befüllung auf die Druckverlustschwelle verringert ist. Die Zunahmerate der Temperatur Tx im Brennstofftank 60 wird auch als die „Tanktemperatur-Zunahmerate“ oder die „Temperaturzunahmerate ΔTx“ bezeichnet. In der vorliegenden Ausführungsform entspricht die Temperaturzunahmerate ΔTx einem Anstieg der Tanktemperatur Tx pro Zeiteinheit. Die Temperaturzunahmerate ΔTx kann jedoch beispielsweise dem Verhältnis des vorliegenden bzw. aktuellen Erfassungswerts zu dem vorherigen Erfassungswert der Tanktemperatur Tx, der in regelmäßigen Zeitabständen erfasst wird, entsprechen.
10 ist ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen der Befüllungszeit für die Befüllung des Brennstofftanks 60 mit Wasserstoff und dem Druckverlust und der Temperaturzunahmerate darstellt. Die Befüllungszeit und der Druckverlust sind diesen von 4 der zweiten Ausführungsform ähnlich. Die Temperaturzunahmerate entspricht der Zunahmerate der Temperatur im Brennstofftank 60, wie vorstehend beschrieben. Wie in 10 gezeigt ist, zeigen der Druckverlust und die Temperaturzunahmerate beim Befüllen des Brennstofftanks 60 mit Wasserstoff nach dem Beginn der Befüllung für eine gewisse Zeit eine Tendenz zu einer Zunahme, zeigen danach jedoch eine Tendenz zu einer Abnahme. Wie vorstehend beschrieben ist, nimmt die Temperatur im Brennstofftank 60 beim Befüllen des Brennstofftanks 60 mit Wasserstoff aufgrund eines Phänomens, wie der adiabatischen Kompression. Die Temperaturzunahmerate im Brennstofftank 60 steigt mit zunehmender Strömungsrate des Brenngases, das dem Brennstofftank 60 durch den Befüllungsströmungspfad zugeführt wird, das heißt, der Befüllungsströmungsrate. Wie vorstehend beschrieben ist, steigt die Befüllungsströmungsrate nach dem Beginn der Befüllung eine Zeit lang an und nimmt danach ab. Entsprechend steigt die Temperaturzunahmerate des Brennstofftanks 60 nach dem Beginn der Befüllung eine Zeit lang an und nimmt danach ab. Wie in 10 gezeigt ist, zeigen der Druckverlust und die Temperaturzunahmerate ein bestimmtes Muster, welches durch Befüllungsbedingungen, wie beispielsweise der Temperatur des Brenngases, das von der Wasserstoffbetankungsvorrichtung 70 zugeführt wird, der Leitungsgestalt des Befüllungsströmungspfads und dem Drucksteuerungszustand während der Befüllung, bestimmt wird.
Die vorstehend beschriebene Beziehung zwischen dem Druckverlust und der Temperaturzunahmerate kann vorab experimentell oder durch Simulationen erhalten werden. In der vierten Ausführungsform wird unter Verwendung dieser Beziehung zwischen dem Druckverlust und der Temperaturzunahmerate im Voraus eine Referenzrate ΔTxa bestimmt. Die Referenzrate ΔTxa entspricht einem Referenzwert der Temperaturzunahmerate, der verwendet wird, um zu bestimmen, ob der Druckverlust während der Befüllung auf die Druckverlustschwelle abgenommen hat. 10 zeigt, dass die Temperaturzunahmerate zur Befüllungszeit ty, wenn der Druckverlust auf die Druckverlustschwelle abfällt, als die Referenzrate ΔTxa bestimmt wird. Die Referenzrate ΔTxa wird durch den Wert der eingestellten Druckverlustschwelle und die Beziehung zwischen dem Druckverlust und der Temperaturzunahmerate bestimmt. Eine solche vorstehende Referenzrate ΔTxa kann beispielsweise auf 20 °C/Min. eingestellt sein. Die Referenzrate ΔTxa wird auch als die „zweite Referenzrate“ bezeichnet.
11 ist ein Flussdiagramm einer Anomalieerfassungssteuerroutine, die von der CPU der Steuerungseinheit 68 des Brennstoffzellenfahrzeugs 20 der vierten Ausführungsform ausgeführt wird. 12 ist ein Zeitdiagramm, welches eine Übersicht über Vorgänge in Zusammenhang mit der Anomalieerfassungssteuerung darstellt. Die Vorgänge, die zur Erfassung einer Anomalie des Befüllungsdrucksensors 41 und des Hochdrucksensors 42 durchgeführt werden, werden unter Bezugnahme auf die 11 und 12 beschrieben. In 11 werden die gleichen Schritte wie diese von 2 mit den gleichen Schrittnummern bezeichnet.
Die Steuerungseinheit 68 führt die Anomalieerfassungssteuerroutine von 11 anstelle der in 2 gezeigten Anomalieerfassungssteuerroutine der ersten Ausführungsform aus. Wenn die CPU der Steuerungseinheit 68 der vierten Ausführungsform den Beginn der Befüllung des Brennstofftanks 60 mit Wasserstoff erfasst (Schritt S100), erhält die CPU der Steuerungseinheit 68 vom Temperatursensor 45 ein Erfassungssignal, das heißt, die vom Temperatursensor 45 erfasste Temperatur, und beginnt daher damit, die Temperaturzunahmerate ΔTx zu überwachen (Schritt S122). Die Temperaturzunahmerate ΔTx entspricht der Zunahmerate der Temperatur im Brennstofftank 60.
Ähnlich wie 3 stellt 12 dar, wie sich der Befüllungsgasdruck Pi und der Zuführgasdruck Po ändern und zu welchem Zeitpunkt die Anomalieerfassungssteuerung unter Verwendung des Befüllungsgasdrucks Pi und des Zuführgasdrucks Po durchgeführt wird. 12 veranschaulicht auch, wie sich die Temperaturzunahmerate ΔTx ändert. In 12 ist das Muster, in dem sich die Temperaturzunahmerate ΔTx ändert, im Vergleich zu 10 vereinfacht dargestellt. In der vierten Ausführungsform wird, anders als in der ersten Ausführungsform, die Anomalieerfassungssteuerung nicht zu der Zeit t1 gestartet, wenn der Beginn der Befüllung in Schritt S100 erfasst wird, wie in 12 gezeigt ist.
Nachdem die CPU der Steuerungseinheit 68 in Schritt S122 mit der Überwachung der Temperaturzunahmerate ΔTx startet, bestimmt die CPU der Steuerungseinheit 68, ob eine Änderung der Temperaturzunahmerate ΔTx im Zeitverlauf von einer Zunahme auf eine Abnahme wechselt (Schritt S124). Das heißt, nach Schritt S122 führt die CPU der Steuerungseinheit 68 wiederholt den Vorgang zum Erhalten des Erfassungswerts des Temperatursensors 45 durch und berechnet die Temperaturzunahmerate ΔTx, und bestimmt, ob der Betrag der Änderung der Temperaturzunahmerate ΔTx, welcher der Differenz zwischen der aktuellen und der vorherigen Temperaturzunahmerate ΔTx entspricht, von einem Zustand, in dem die Differenz fortlaufend einen positiven Wert annimmt, in einen Zustand wechselt bzw. übergeht, in dem die Differenz fortlaufend einen negativen Wert annimmt. Die CPU der Steuerungseinheit 68 wiederholt den Vorgang von Schritt S124 so lange, wie die CPU der Steuerungseinheit 68 bestimmt, dass die Änderung der Temperaturzunahmerate ΔTx im Zeitverlauf nicht von einer Zunahme auf eine Abnahme wechselt (Schritt S124: NEIN).
Wenn die CPU der Steuerungseinheit 68 bestimmt, dass die Änderung der Temperaturzunahmerate ΔTx im Zeitverlauf von einer Zunahme auf eine Abnahme wechselt (Schritt S124: JA), vergleicht die CPU der Steuerungseinheit 68 die berechnete Temperaturzunahmerate ΔTx mit der vorstehend beschriebenen Referenzrate ΔTxa (Schritt S126). Das heißt, nach Schritt S124 wiederholt die CPU der Steuerungseinheit 68 den Vorgang zum Erhalten des Erfassungswerts des Temperatursensors 45, zum Berechnen der Temperaturzunahmerate ΔTx und zum Vergleichen der berechneten Temperaturzunahmerate ΔTx mit der Referenzrate ΔTxa. Die CPU der Steuerungseinheit 68 wiederholt den Vorgang von Schritt S126 so lange, wie die CPU der Steuerungseinheit 68 bestimmt, dass die berechnete Temperaturzunahmerate ΔTx höher ist als die Referenzrate ΔTxa (Schritt S126: NEIN).
Wenn die CPU der Steuerungseinheit 68 bestimmt, dass die berechnete Temperaturzunahmerate ΔTx gleich oder niedriger als die Referenzrate ΔTxa ist (Schritt S126: JA), führt die CPU der Steuerungseinheit 68 die Anomalieerfassungssteuerung einschließlich der Vorgänge der Schritte S130 bis S180 aus, die der Anomalieerfassungssteuerung der ersten Ausführungsform ähnlich ist. Die CPU der Steuerungseinheit 68 beendet dann diese Routine. Das heißt, die CPU der Steuerungseinheit 68 beginnt mit der Erfassung des Befüllungsgasdrucks Pi und aktualisiert den Maximaldruck Pimax, und bestimmt durch Vergleichen des Maximaldrucks Pimax mit dem Zuführgasdruck Po, ob eine Anomalie bei den Drucksensoren vorliegt. In 12 gibt die Zeit tγ den Zeitpunkt an, zu dem die CPU der Steuerungseinheit 68 bestimmt, dass die berechnete Temperaturzunahmerate ΔTx gleich oder niedriger als die Referenzrate ΔTxa ist. 12 zeigt ferner, dass die Anomalieerfassungssteuerung zu der Zeit tγ gestartet wird.
Diese Konfiguration verbessert zusätzlich zu den Effekten, die denen der ersten Ausführungsform ähnlich sind, die Genauigkeit der Anomaliebestimmung für die Drucksensoren weiter. Das heißt, dass der Wert des Befüllungsgasdrucks Pi, der bei hohem Druckverlust in dem Befüllungsströmungspfad erfasst wird, mit geringerer Wahrscheinlichkeit als der Maximaldruck Pimax gespeichert wird, der höher ist als der Tankdruck am Ende der Befüllung. Entsprechend verringert sich die Möglichkeit, dass die Drucksensoren fälschlicherweise als anormal bestimmt werden, obwohl die Drucksensoren normal sind, da der Maximaldruck Pimax höher als der Zuführgasdruck Po ist.
Fünfte Ausführungsform
In der ersten bis vierten Ausführungsform wird anhand der Differenz zwischen dem Zuführgasdruck Po, das heißt dem Zuführstartdruck, und dem maximalen Befüllungsdruck Pimax bestimmt, ob eine Anomalie bei den Drucksensoren vorliegt. Die vorliegende Offenbarung kann jedoch eine andere Konfiguration besitzen. In der fünften Ausführungsform wird anhand der Differenz zwischen der Brenngasmenge im Brennstofftank 60 zu Beginn der Brenngaszuführung zur Brennstoffzelle 66 und der Brenngasmenge im Brennstofftank 60 zu der Zeit, wenn der Befüllungsgasdruck Pi dem Maximalwert entspricht, das heißt, der Differenz zwischen der Brenngasmenge im Brennstofftank 60 zu der Zeit, wenn die Zufuhr von Wasserstoff zu der Brennstoffzelle 66 nach Beendigung der Befüllung zum ersten Mal gestartet wird, und der Brenngasmenge im Brennstofftank 60 zu der Zeit, wenn der Erfassungswert des Befüllungsgasdrucks Pi maximal wird, bestimmt, ob eine Anomalie bei den Drucksensoren vorliegt. Der Vorgang der Bestimmung, ob eine Anomalie bei den Drucksensoren vorliegt, unter Verwendung der Differenz zwischen den Brenngasmengen, ist auf jede der ersten bis vierten Ausführungsformen anwendbar.
In der fünften Ausführungsform speichert die CPU der Steuerungseinheit 68 bei der Aktualisierung des Maximaldrucks Pimax in Schritt S 140 der vorstehenden Ausführungsformen auch die Temperatur im Brennstofftank 60, das heißt, den vom Temperatursensor 45 erfassten Wert, zu der Zeit, wenn der Maximaldruck Pimax zur Aktualisierung des gespeicherten Maximaldrucks Pimax erfasst wird. Bei der Erfassung des Zuführgasdrucks Po, welcher dem Zuführstartdruck entspricht, in Schritt S170 erfasst die CPU der Steuerungseinheit 68 auch die Temperatur im Brennstofftank 60, das heißt, den vom Temperatursensor 45 erfassten Wert, zu der Zeit, wenn dieser Zuführgasdruck Po erfasst wird.
In Schritt S180 berechnet die CPU der Steuerungseinheit 68 die Brenngasmenge im Brennstofftank 60 zu der Zeit, wenn der Befüllungsgasdruck Pi maximal ist, unter Verwendung der Temperatur im Brennstofftank 60 zu der Zeit, wenn der Befüllungsgasdruck Pi maximal ist, das heißt, der Temperatur im Brennstofftank 60 zu der Zeit, wenn der gespeicherte Maximaldruck Pimax erfasst wird, und dem gespeicherten Maximaldruck Pimax. In Schritt S180 berechnet die CPU der Steuerungseinheit 68 auch die Brenngasmenge im Brennstofftank 60 zu Beginn der Brenngaszuführung zu der Brennstoffzelle 66 unter Verwendung des bei Schritt S170 erfassten Zuführgasdrucks Po und der Temperatur im Brennstofftank 60 zu der Zeit, wenn dieser Zuführgasdruck Po erfasst wird. Die Kapazität bzw. das Fassungsvermögen des Brennstofftanks 60 wird im Voraus in der Steuerungseinheit 68 gespeichert, und die CPU der Steuerungseinheit 68 kann aus dem Druck und der Temperatur im Brennstofftank 60 und der Kapazität des Brennstofftanks 60 die Menge von Brenngas bzw. die Brenngasmenge im Brennstofftank 60, insbesondere die Menge an Wasserstoff im Brennstofftank 60, berechnen.
Wie vorstehend beschrieben ist, berechnet die CPU der Steuerungseinheit 68 in Schritt S180 der fünften Ausführungsform die Brenngasmenge im Brennstofftank 60 zu Beginn der Brenngaszuführung zur Brennstoffzelle 66 und die Brenngasmenge im Brennstofftank 60 zu der Zeit, wenn der Befüllungsgasdruck Pi maximal ist, und bestimmt, dass sowohl der Befüllungsdrucksensor 41 als auch der Hochdrucksensor 42 normal sind, wenn die Differenz zwischen den berechneten Brenngasmengen im Brennstofftank 60 gleich oder kleiner als ein vorbestimmter Referenzwert ist. Wenn die vorstehende Differenz größer als der Referenzwert ist, bestimmt die CPU der Steuerungseinheit 68, dass eine Möglichkeit besteht, dass der Befüllungsdrucksensor 41 und/oder der Hochdrucksensor 42 anormal sein kann/können. Der Referenzwert wird im Hinblick auf die Erfassungsgenauigkeit des Befüllungsdrucksensors 41 und des Hochdrucksensors 42 und die Erfassungsgenauigkeit des Temperatursensors 45 im Voraus eingestellt. Der Referenzwert wird im Voraus auf den Maximalwert möglicher Differenzen zwischen der Brenngasmenge im Brennstofftank 60, die berechnet wird, wenn die Brenngaszuführung zur Brennstoffzelle 66 nach vollständiger Befüllung des Brennstofftanks 60 gestartet wird, und der Brenngasmenge im Brennstofftank 60, die anhand des Erfassungswerts zu der Zeit berechnet wird, wenn der Befüllungsgasdruck Pi maximal ist und der Brennstofftank 60 vollständig gefüllt ist, eingestellt. Die möglichen Differenzen entsprechen den Differenzen, die erhalten werden können, wenn sowohl der Befüllungsdrucksensor 41 als auch der Hochdrucksensor 42 normal sind.
Die vorstehenden Brenngasmengen, die berechnet werden, um die Differenz in Schritt S180 der vorliegenden Ausführungsform zu erhalten, entsprechen den absoluten Brenngasmengen im Brennstofftank 60, die unter Verwendung des Drucks und der Temperatur im Brennstofftank 60 berechnet werden. Diese Brenngasmengen können beispielsweise als die molaren Wasserstoffmengen im Brennstofftank 60 berechnet werden oder als die Wasserstoffgewichte im Brennstofftank 60 berechnet werden.
Zusätzlich zu den Effekten, die denen der vorstehenden Ausführungsformen ähnlich sind, verbessert diese Konfiguration die Genauigkeit der Anomaliebestimmung für die Drucksensoren auch dann, wenn die Zeitspanne von der Zeit t3, wenn bestimmt wird, dass der Befüllungsvorgang beendet ist, bis zu der Zeit t4, wenn das Brennstoffzellensystem 25 danach gestartet wird, relativ lang ist. Wie vorstehend beschrieben ist, erhöht sich beim Befüllen des Brennstofftanks 60 mit Wasserstoff die Temperatur im Brennstofftank 60 aufgrund eines Phänomens, wie der adiabatischen Kompression. Nach Beendigung des Befüllungsvorgangs sinkt die Temperatur im Brennstofftank 60 aufgrund von Wärmeableitung usw. allmählich ab. Entsprechend kann der Druck im Brennstofftank 60 mit der Abnahme der Temperatur im Brennstofftank 60 abnehmen, während das Brennstoffzellensystem 25 gestoppt ist. In der fünften Ausführungsform werden die Brenngasmengen im Brennstofftank 60 berechnet und verglichen, um zu bestimmen, ob die Drucksensoren normal sind. Die Konfiguration der fünften Ausführungsform reduziert somit den Einfluss des Druckabfalls im Brennstofftank 60 auf die Anomaliebestimmung für die Drucksensoren und verbessert die Genauigkeit der Bestimmung.
Weitere Ausführungsformen
(F1) In den vorstehenden Ausführungsformen umfasst das Brennstoffzellensystem 25 einen einzigen Brennstofftank 60. Das Brennstoffzellensystem 25 kann jedoch eine Mehrzahl von Brennstofftanks 60 umfassen. In diesem Fall sind die Brennstofftanks 60 beispielsweise parallel verbunden, und der Vorgang des Befüllens des Brennstofftanks 60 mit Wasserstoff und der Vorgang zum Zuführen von Wasserstoff von dem Brennstofftank 60 zu der Brennstoffzelle 66 erfolgt gleichzeitig in allen Brennstofftanks 60. Der Befüllungsdrucksensor 41 zur Erfassung des Befüllungsgasdrucks Pi und der Strömungsratensensor 47 zur Erfassung der Massenströmungsrate des durch die Befüllungsleitung 30 strömenden Wasserstoffs sind an der Befüllungsleitung 30 an Stellen stromaufwärts von Abzweigungen der Befüllungsleitung 30 angebracht, die mit den Brennstofftanks 60 verbunden sind. Der Hochdrucksensor 42 ist an einer Stelle bzw. Position stromaufwärts des Druckreduzierventils 54 und stromabwärts der Stelle, an welcher mit den Brennstofftanks 60 verbundene Leitungen in die einzige Zuführleitung 32 münden, montiert.
Wenn beispielsweise die Konfiguration, in der das Brennstoffzellensystem 25 eine Mehrzahl von Brennstofftanks 60 umfasst, auf die vierte Ausführungsform angewandt wird, kann der Temperatursensor 45 für jeden der Brennstofftanks 60 vorgesehen sein, und die Temperaturzunahmerate ΔTx kann unter Verwendung des Mittelwerts der Erfassungswerte aller Temperatursensoren 45 überwacht werden. Alternativ kann die Temperaturzunahmerate ΔTx unter Verwendung des Erfassungswertes des Temperatursensors 45 für einen bestimmten der Brennstofftanks 60 überwacht werden. Es ist lediglich erforderlich, im Voraus die Beziehung zwischen dem Erfassungswert des verwendeten Temperatursensors 45 und dem Druckverlust während der Befüllung zu erhalten und anhand der erhaltenen Beziehung die Referenzrate ΔTxa zu bestimmen.
(F2) Der Druckverlust während der Befüllung kann durch eine andere Methode als bei der zweiten bis fünften Ausführungsform abgeschätzt werden. Jede physikalische Größe, die sich während der Befüllung des Brennstofftanks 60 mit Wasserstoff ändert und die einen Parameter darstellt, der eine bestimmte Beziehung zum Druckverlust besitzt, kann in ähnlicher Weise wie bei der Befüllungsströmungsrate F, der Druckzunahmerate ΔPi und der Temperaturzunahmerate ΔTx verwendet werden. Beispielsweise kann die Zeit, die vom Beginn der Befüllung an verstrichen ist, in dem Fall verwendet werden, in dem Befüllungsbedingungen im Voraus bestimmt sind.
(F3) In der zweiten bis fünften Ausführungsform werden die Referenzströmungsrate Fa für die Befüllungsströmungsrate F (4), die Referenzrate APia für die Druckzunahmerate ΔPi (7) und die Referenzrate ΔTxa für die Temperaturzunahmerate ΔTx (10) auf der Grundlage der Beziehung mit dem Druckverlust bestimmt, um zu bestimmen, wann die Anomalieerfassungssteuerung zu starten ist. Die vorliegende Offenbarung kann jedoch eine andere Konfiguration besitzen. Der Zeitpunkt, zu dem die Messgenauigkeit des Tankdrucks durch den Befüllungsdrucksensor 41 ausreichend erhöht ist, braucht nur bestimmt zu werden, um die Anomalieerfassungssteuerung zu starten. Die Beziehung zwischen dem Druckverlust und der Befüllungsströmungsrate F, der Druckzunahmerate ΔPi und der Temperaturzunahmerate ΔTx muss nicht unbedingt im Voraus erhalten werden, um die Referenz zu bestimmen, die für die Bestimmung verwendet wird.
Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die vorstehenden Ausführungsformen beschränkt und kann mit verschiedenen Konfigurationen implementiert werden, ohne von dem Grundgedanken und Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Beispielsweise können diejenigen technischen Merkmale in den Ausführungsformen, die den technischen Merkmalen in jeder im Abschnitt „Kurzfassung der Erfindung“ beschriebenen Form entsprechen, geeignet ersetzt oder kombiniert werden, um einen Teil oder alle der vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen oder um einen Teil oder alle der vorstehend beschriebenen Effekte zu erzielen. Diejenigen technischen Merkmale, die in der Spezifikation nicht als wesentlich beschrieben sind, können gegebenenfalls weggelassen 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 2018106867 [0002]
JP 2018106867 A [0002]

Claims

Brennstoffzellensystem, aufweisend: eine Brennstoffzelle (66); einen Brennstofftank (60), welcher Brenngas speichert, das der Brennstoffzelle (66) zugeführt werden soll; einen Befüllungsströmungspfad (30), durch den das dem Brennstofftank (60) zuzuführende Brenngas strömt; einen Zuführströmungspfad (32), welcher die Brennstoffzelle (66) und den Brennstofftank (60) verbindet; einen ersten Drucksensor (41), welcher an dem Befüllungsströmungspfad (30) montiert ist und einen Druck in dem Befüllungsströmungspfad (30) erfasst; einen zweiten Drucksensor (42), welcher an dem Zuführströmungspfad (32) montiert ist und einen Druck des Brenngases an einem Auslass des Brennstofftanks (60) erfasst; einen Temperatursensor (45), welcher eine Temperatur in dem Brennstofftank (60) erfasst; und eine Steuerungseinheit (68), welche derart konfiguriert ist, dass diese eine Anomalieerfassungssteuerung für den ersten Drucksensor (41) und den zweiten Drucksensor (42) durchführt, wobei die Steuerungseinheit (68) derart konfiguriert ist, dass diese bei der Anomalieerfassungssteuerung einen maximalen Befüllungsdruck aus einem Erfassungswert des ersten Drucksensors (41) erhält, wobei der maximale Befüllungsdruck dem Druck in dem Befüllungsströmungspfad (30) zu einer Maximaldruckzeit entspricht, wenn der Druck in dem Befüllungsströmungspfad (30) während einer Befüllung des Brennstofftanks (60) mit dem Brenngas maximal wird; bestimmt, dass sowohl der erste Drucksensor (41) als auch der zweite Drucksensor (42) normal sind, wenn eine erste Differenz gleich oder kleiner als ein vorbestimmter erster Referenzwert ist, oder wenn eine zweite Differenz gleich oder kleiner als ein vorbestimmter zweiter Referenzwert ist, wobei die erste Differenz einer Differenz zwischen einem Zuführstartdruck und dem maximalen Befüllungsdruck entspricht, wobei der Zuführstartdruck einem Erfassungswert des zweiten Drucksensors (42) zu Beginn einer Zuführung des Brenngases zu der Brennstoffzelle (66) entspricht, wenn die Zuführung des Brenngases von dem Brennstofftank (60) zu der Brennstoffzelle (66) zum ersten Mal gestartet wird, nachdem die Befüllung des Brennstofftanks (60) mit dem Brenngas beendet ist, und wobei die zweite Differenz einer Differenz zwischen einer Menge des Brenngases in dem Brennstofftank (60) zum Beginn der Zuführung des Brenngases zu der Brennstoffzelle (66), die unter Verwendung der von dem Temperatursensor (45) zum Beginn der Zuführung des Brenngases zu der Brennstoffzelle (66) erfassten Temperatur und des Zuführstartdrucks berechnet wird, und einer Menge des Brenngases in dem Brennstofftank (60) zu der Maximaldruckzeit, die unter Verwendung der von dem Temperatursensor (45) zu der Maximaldruckzeit erfassten Temperatur und des maximalen Befüllungsdrucks berechnet wird, entspricht; und bestimmt, dass eine Möglichkeit besteht, dass der erste Drucksensor (41) und/oder der zweite Drucksensor (42) anormal ist/sind, wenn die erste Differenz größer als der vorbestimmte erste Referenzwert ist oder wenn die zweite Differenz größer als der vorbestimmte zweite Referenzwert ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner aufweisend: einen Strömungsratensensor, welcher eine Strömungsrate des durch den Befüllungsströmungspfad (30) strömenden Brenngases erfasst, wobei die Steuerungseinheit (68) derart konfiguriert ist, dass diese die Anomalieerfassungssteuerung startet, sobald die von dem Strömungsratensensor erfasste Strömungsrate nach einem Beginn einer Befüllung des Brennstofftanks (60) mit dem Brenngas gleich oder niedriger als eine vorbestimmte Referenzströmungsrate wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei die Referenzströmungsrate 30 g/Sek. beträgt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Steuerungseinheit (68) derart konfiguriert ist, dass diese: eine Druckzunahmerate des Befüllungsströmungspfads (30) während der Befüllung des Brennstofftanks (60) mit dem Brenngas unter Verwendung des Erfassungswerts des ersten Drucksensors (41) erhält; und die Anomalieerfassungssteuerung startet, sobald die Druckzunahmerate nach dem Beginn der Befüllung des Brennstofftanks (60) mit dem Brenngas gleich oder niedriger als eine vorbestimmte erste Referenzrate wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, wobei die vorbestimmte erste Referenzrate 23 MPa/Min. beträgt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Steuerungseinheit (68) derart konfiguriert ist, dass diese: eine Temperaturzunahmerate des Brennstofftanks (60) während der Befüllung des Brennstofftanks (60) mit dem Brenngas unter Verwendung der von dem Temperatursensor (45) erfassten Temperatur erhält; und die Anomalieerfassungssteuerung startet, nachdem die Temperaturzunahmerate nach dem Beginn der Befüllung des Brennstofftanks (60) mit dem Brenngas gleich oder niedriger als eine vorbestimmte zweite Referenzrate wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, wobei die vorbestimmte zweite Referenzrate 20°C/Min. beträgt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Steuerungseinheit (68) derart konfiguriert ist, dass diese den maximalen Befüllungsdruck zu der Maximaldruckzeit erhält, wobei die Maximaldruckzeit einer Zeit entspricht, wenn der Erfassungswert des ersten Drucksensors (41) maximal wird, nachdem ein Druckverlust, der zwischen dem ersten Drucksensor (41) und dem Brennstofftank (60) auftritt, wenn das Brenngas durch den Befüllungsströmungspfad (30) strömt, als gleich oder niedriger als ein vorbestimmter Bestimmungswert abgeschätzt wird.
Verfahren zum Erfassen einer Anomalie eines Brennstoffzellensystems, wobei das Brennstoffzellensystem umfasst eine Brennstoffzelle (66); einen Brennstofftank (60), welcher Brenngas speichert, das der Brennstoffzelle (66) zugeführt werden soll; einen Befüllungsströmungspfad (30), durch den das dem Brennstofftank (60) zuzuführende Brenngas strömt; einen Zuführströmungspfad (32), welcher die Brennstoffzelle (66) und den Brennstofftank (60) verbindet; einen ersten Drucksensor (41), welcher an dem Befüllungsströmungspfad (30) montiert ist und einen Druck in dem Befüllungsströmungspfad (30) erfasst; und einen zweiten Drucksensor (42), welcher an dem Zuführströmungspfad (32) montiert ist und einen Druck des Brenngases an einem Auslass des Brennstofftanks (60) erfasst, wobei das Verfahren aufweist: Erhalten eines maximalen Befüllungsdrucks aus einem Erfassungswert des ersten Drucksensors (41), wobei der maximale Befüllungsdruck dem Druck in dem Befüllungsströmungspfad (30) zu einer Maximaldruckzeit entspricht, wenn der Druck in dem Befüllungsströmungspfad (30) während einer Befüllung des Brennstofftanks (60) mit dem Brenngas maximal wird; Bestimmen, dass sowohl der erste Drucksensor (41) als auch der zweite Drucksensor (42) normal sind, wenn eine erste Differenz gleich oder kleiner als ein vorbestimmter erster Referenzwert ist, oder wenn eine zweite Differenz gleich oder kleiner als ein vorbestimmter zweiter Referenzwert ist, wobei die erste Differenz einer Differenz zwischen einem Zuführstartdruck und dem maximalen Befüllungsdruck entspricht, wobei der Zuführstartdruck einem Erfassungswert des zweiten Drucksensors (42) zu Beginn der Zuführung des Brenngases zu der Brennstoffzelle (66) entspricht, wenn die Zuführung des Brenngases von dem Brennstofftank (60) zu der Brennstoffzelle (66) zum ersten Mal gestartet wird, nachdem das Befüllen des Brennstofftanks (60) mit dem Brenngas beendet ist, und wobei die zweite Differenz einer Differenz zwischen einer Menge des Brenngases in dem Brennstofftank (60) zum Beginn der Zuführung des Brenngases zu der Brennstoffzelle (66), die unter Verwendung einer Temperatur in dem Brennstofftank (60) zum Beginn der Zuführung des Brenngases zu der Brennstoffzelle (66) und des Zuführstartdrucks berechnet wird, und einer Menge des Brenngases in dem Brennstofftank (60) zu der Maximaldruckzeit, die unter Verwendung einer Temperatur in dem Brennstofftank (60) zu der Maximaldruckzeit und dem maximalen Befüllungsdruck berechnet wird, entspricht; und Bestimmen, dass eine Möglichkeit besteht, dass der erste Drucksensor (41) und/oder der zweite Drucksensor (42) anormal ist, wenn die erste Differenz größer als der vorbestimmte erste Referenzwert ist oder wenn die zweite Differenz größer als der vorbestimmte zweite Referenzwert ist.