DE102020202707A1

DE102020202707A1 - Kühlsteuersystem und -verfahren für brennstoffzellen

Info

Publication number: DE102020202707A1
Application number: DE102020202707.2A
Authority: DE
Inventors: Jung Hwan Ryu
Original assignee: Hyundai Motor Co; Kia Motors Corp
Current assignee: Hyundai Motor Co; Kia Corp
Priority date: 2019-10-08
Filing date: 2020-03-03
Publication date: 2021-04-08
Also published as: KR20210041860A; US20210104761A1; US11355765B2; CN112635787A

Abstract

Es werden ein Kühlsteuersystem und -verfahren für Brennstoffzellen bereitgestellt. Das Kühlsteuersystem umfasst eine Brennstoffzelle, eine Kühlzirkulationsleitung, die mit der Brennstoffzelle verbunden ist, um Kühlwasser zum Kühlen der Brennstoffzelle darin zu zirkulieren, und eine Kühlwasserpumpe, die an der Kühlzirkulationsleitung vorgesehen ist, um eine Zirkulationsmenge des Kühlwassers einzustellen. Eine Berechnungseinheit berechnet eine Änderung der thermischen Energie der Brennstoffzelle basierend auf einem Heizwert und einer Strahlungswärmemenge der Brennstoffzelle. Eine Steuerung betreibt die Kühlwasserpumpe basierend auf der berechneten Änderung der thermischen Energie der Brennstoffzelle.

Description

HINTERGRUND
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Technologie, die eine Kühlwasserpumpe basierend auf einer Änderung der thermischen Energie einer Brennstoffzelle und einem Öffnungsgrad eines Thermostatventils einer Kühlzirkulationsleitung betreibt.
Beschreibung des Standes der Technik
Eine Brennstoffzelle wandelt chemische Energie in elektrische Energie mittels Oxidations-Reduktions-Reaktionen von Wasserstoff und Sauerstoff, die von einer Wasserstoffzufuhrvorrichtung bzw. einer Sauerstoffzufuhrvorrichtung zugeführt werden, um. Die Brennstoffzelle umfasst einen Brennstoffzellenstapel, der elektrische Energie erzeugt, ein Kühlsystem, das den Brennstoffzellenstapel kühlt, etc. Mit anderen Worten, Wasserstoff wird einer Anode des Brennstoffzellenstapels zugeführt, eine Oxidationsreaktion von Wasserstoff wird an der Anode durchgeführt und erzeugt so Protonen und Elektronen, und die erzeugten Protonen und Elektronen werden durch eine Elektrolytmembran bzw. einen Separator zu einer Kathode bewegt. Die Kathode erzeugt Wasser mittels einer elektrochemischen Reaktion, an der die Protonen und Elektronen, die sich von der Anode wegbewegen, und Sauerstoff in der Luft teilnehmen, und ein solcher Elektronenfluss erzeugt elektrische Energie.
Aufgrund einer solchen elektrochemischen Reaktion wird in dem Brennstoffzellenstapel thermische Energie zusammen mit elektrischer Energie erzeugt. Um Probleme, wie etwa die Degradation des Brennstoffzellenstapels durch Überhitzung aufgrund solcher thermischen Energie zu vermeiden, umfasst die Brennstoffzelle das Kühlsystem. Insbesondere wird hauptsächlich ein Kühlsystem vom Wasserkühltyp verwendet, in dem ein Kühlströmungspfad, in dem Kühlwasser strömt, zwischen jeweiligen in dem Brennstoffzellenstapel enthaltenen Einheitszellen gebildet wird, um den Brennstoffzellenstapel zu kühlen.
Bei diesem Kühlsystem ist es schwierig, die Temperatur des Brennstoffzellenstapels direkt zu messen, und somit wird die Temperatur des Brennstoffzellenstapels indirekt mittels der Austrittstemperatur des Kühlwassers, das aus dem Brennstoffzellenstapel abgeführt wird, geschätzt. Ferner wird eine Kühlmenge des Brennstoffzellenstapels durch den Betrieb eines Thermostaten eingestellt, der das Verhältnis zwischen dem Kühlwasser, das durch einen Kühler geflossen ist, und dem Kühlwasser, das den Kühler umgangen hat, entsprechend der geschätzten Temperatur des Brennstoffzellenstapels oder einer Pumpe, die Kühlwasser zirkuliert, einstellt.
Mit anderen Worten werden das Kühlwasser, das durch den Kühler geflossen ist, und das Kühlwasser, das den Kühler umgangen hat, die in den Thermostat strömen, gemischt, wodurch der Brennstoffzellenstapel gekühlt wird. Entsprechend einem solchen Kühlsteuerverfahren kann jedoch Kühlwasser mit niedriger Temperatur, das durch den Kühler geflossen ist, in den Brennstoffzellenstapel strömen, und somit kann eine thermische Belastung den Brennstoffzellenstapel beeinträchtigen.
Da ferner eine minimale Wärmemenge in dem Brennstoffzellenstapel erzeugt wird, kann der Kühler die Wärmestrahlungsleistung in einem Zustand, in dem eine erforderliche Menge an Strahlungswärme minimal ist, nicht aufrechterhalten, und dadurch wird, wenn die erforderliche Menge an Strahlungswärme des Brennstoffzellenstapels wieder erhöht wird, die Zeit zum Erbringen der Kühlleistung des Kühlsystems verzögert.
Die obige Beschreibung wurde zum besseren Verständnis des Hintergrunds der vorliegenden Erfindung vorgesehen und sollte nicht als herkömmliche Technologie, die Fachleuten bekannt ist, ausgelegt werden.
ZUSAMMENFASSUNG
Daher sieht die vorliegende Erfindung ein Steuersystem und ein Verfahren vor, die eine Kühlpumpe basierend auf einem kumulativen Heizwert einer Brennstoffzelle und einem Öffnungsgrad eines Thermostatventils einer Kühlzirkulationsleitung steuern.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein Kühlsteuersystem für Brennstoffzellen eine Brennstoffzelle, eine Kühlzirkulationsleitung, die mit der Brennstoffzelle verbunden ist, um Kühlwasser zum Kühlen der Brennstoffzelle darin zu zirkulieren, eine Kühlwasserpumpe, die an der Kühlzirkulationsleitung vorgesehen ist, um eine Zirkulationsmenge des Kühlwassers einzustellen, eine Berechnungseinheit, die eingerichtet ist, eine Änderung der thermischen Energie der Brennstoffzelle basierend auf einem Heizwert und einer Menge an Strahlungswärme der Brennstoffzelle zu berechnen, und eine Steuerung, die eingerichtet ist, die Kühlwasserpumpe basierend auf der von der Berechnungseinheit berechneten Änderung der thermischen Energie der Brennstoffzelle zu betreiben, umfassen.
Das Kühlsteuersystem für Brennstoffzellen kann ferner eine Heizwertschätzeinheit beinhalten, die eingerichtet ist, den Heizwert der Brennstoffzelle basierend auf Informationen über die Erzeugung von elektrischer Leistung der Brennstoffzelle zu schätzen. Zudem kann das Kühlsteuersystem für Brennstoffzellen einen ersten Temperatursensor und einen zweiten Temperatursensor umfassen, die eingerichtet sind, Temperaturen des Kühlwassers an einem Einlass und einem Auslass zu messen, an denen die Kühlzirkulationsleitung und die Brennstoffzelle verbunden sind.
Die Berechnungseinheit kann eingerichtet sein, die Strahlungswärmemenge der Brennstoffzelle basierend auf den von dem ersten Temperatursensor und dem zweiten Temperatursensor gemessenen Temperaturen zu berechnen und die Änderung der thermischen Energie der Brennstoffzelle basierend auf einem Wert, der durch Subtrahieren der Strahlungswärmemenge der Brennstoffzelle von dem Heizwert der Brennstoffzelle ermittelt wird, zu berechnen.
Das Kühlsteuersystem für Brennstoffzellen kann ferner einen Wärmetauscher, der an der Kühlzirkulationsleitung vorgesehen ist, um Wärme zwischen dem Kühlwasser in der Kühlzirkulationsleitung und der Außenseite auszutauschen, einen Umgehungspfad, der in der Kühlzirkulationsleitung vorgesehen ist, damit das Kühlwasser darin den Wärmetauscher umgehen kann, und ein Thermostatventil, das eingerichtet ist, eine Zirkulationsmenge des zu dem Wärmetauscher oder dem Umgehungspfad zirkulierten Kühlwassers einzustellen, umfassen.
Die Steuerung kann eingerichtet sein, die Kühlwasserpumpe basierend auf einem Öffnungsgrad des Thermostatventils und der Änderung der thermischen Energie der Brennstoffzelle zu betreiben. Zudem kann die Steuerung eingerichtet sein, die Kühlwasserpumpe durch Einstellen eines Steuerverstärkungswerts zum Einstellen einer Drehzahl der Kühlwasserpumpe basierend auf dem Öffnungsgrad des Thermostatventils zu betreiben. Der Öffnungsgrad des Thermostatventils kann basierend auf einer Innentemperatur der Brennstoffzelle eingestellt sein.
Die Steuerung kann so eingerichtet sein, dass sie die Kühlwasserpumpe betreibt, um eine Drehzahl der Kühlwasserpumpe so einzustellen, dass sie zu einer vorgegebenen Grunddrehzahl wird, wenn die Änderung der thermischen Energie der Brennstoffzelle eine vorgegebene Änderung der thermischen Energie oder weniger ist. Die Steuerung kann auch eingerichtet sein, den Betrieb der Kühlwasserpumpe zu stoppen, wenn die Änderung der thermischen Energie der Brennstoffzelle eine vorgegebene Änderung der thermischen Energie oder weniger ist und die vorbestimmte Änderung der thermischen Energie 0 ist. Die Steuerung kann eigerichtet sein, die Drehzahl der Kühlwasserpumpe zu erhöhen, wenn die Änderung der thermischen Energie der Brennstoffzelle eine vorgegebene Änderung der thermischen Energie übersteigt.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung kann ein Kühlsteuerverfahren für Brennstoffzellen das Berechnen einer Änderung der thermischen Energie einer Brennstoffzelle basierend auf einer Wärmestrahlungsmenge und einem Heizwert der Brennstoffzelle und das Betreiben einer Kühlwasserpumpe basierend auf der Änderung der thermischen Energie der Brennstoffzelle, die bei der Berechnung der Änderung der thermischen Energie der Brennstoffzelle berechnet wurde, und das Einstellen eines Öffnungsgrades eines Thermostatventils umfassen.
Das Kühlsteuerverfahren für Brennstoffzellen kann ferner das Schätzen des Heizwerts der Brennstoffzelle basierend auf Informationen über die Erzeugung von elektrischer Leistung der Brennstoffzelle umfassen. Das Kühlsteuerverfahren für Brennstoffzellen kann ferner das Messen von Temperaturen des Kühlwassers an einem Einlass und einem Auslass, an denen die Kühlzirkulationsleitung und die Brennstoffzelle verbunden sind, umfassen. Bei der Berechnung der Änderung der thermischen Energie kann die Strahlungswärmemenge der Brennstoffzelle basierend auf den Temperaturen, die bei der Messung der Temperaturen des Kühlwassers gemessen werden, berechnet werden, und die Änderung der thermischen Energie der Brennstoffzelle kann basierend auf einem Wertes berechnet werden, der durch Subtrahieren der Strahlungswärmemenge der Brennstoffzelle von dem Heizwert der Brennstoffzelle ermittelt wird.
Beim Betreiben der Kühlwasserpumpe kann die Kühlwasserpumpe durch Einstellen eines Steuerverstärkungswerts zum Einstellen einer Drehzahl der Kühlwasserpumpe basierend auf dem Öffnungswert des Thermostatventils betrieben werden. Zudem kann der Kühlwasserpumpenbetrieb gestoppt werden, wenn die Änderung der thermischen Energie der Brennstoffzelle eine vorgegebene Änderung der thermischen Energie oder weniger ist und die vorgegebene Änderung der thermischen Energie 0 ist.
Beim Betreiben der Kühlwasserpumpe kann die Kühlwasserpumpe gestoppt werden, wenn die Änderung der thermischen Energie der Brennstoffzelle eine vorgegebene Änderung der thermischen Energie oder weniger ist. Die Drehzahl der Kühlwasserpumpe kann erhöht werden, wenn die Änderung der thermischen Energie der Brennstoffzelle eine vorgegebene Änderung der thermischen Energie übersteigt.
Figurenliste
Die obigen und andere Aufgaben, Merkmale und andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser verständlich, in denen:

1 ein Blockdiagramm eines Kühlsteuersystems für Brennstoffzellen gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
2 ein Flussdiagramm ist, das ein Kühlsteuerverfahren für Brennstoffzellen gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
3 eine graphische Darstellung ist, die eine Temperaturänderung des Kühlwassers an einem Auslass einer Kühlzirkulationsleitung einer Brennstoffzelle und eine Änderung der thermischen Energie der Brennstoffzelle gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
4 eine graphische Darstellung ist, die einen Steuerverstärkungswert zum Steuern einer Kühlwasserpumpe entsprechend einem Öffnungsgrad eines Thermostatventils gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht; und
5 eine graphische Darstellung ist, die eine variable Gleichung des in 4 gezeigten Steuerverstärkungswerts gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Es versteht sich, dass der Begriff „Fahrzeug“ oder „fahrzeugmäßig“ oder andere ähnliche Begriffe, wie hierin verwendet, allgemein Kraftfahrzeuge, wie Personenkraftwagen einschließlich Sport-Nutzfahrzeuge (SUV), Busse, Lastkraftwagen, verschiedene Nutzfahrzeuge, Wasserfahrzeuge einschließlich einer Vielzahl von Booten und Schiffen, Luftfahrzeuge und dergleichen umfasst sowie Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge, wasserstoffbetriebene Fahrzeuge und andere Kraftfahrzeuge für alternative Kraftstoffe (z. B. Kraftstoffe, die aus anderen Ressourcen als Erdöl gewonnen werden) einschließt. Wie hierein verwendet, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, das zwei oder mehr Antriebsquellen aufweist, zum Beispiel sowohl benzinbetriebene als auch elektrisch angetriebene Fahrzeuge.
Obwohl die beispielhafte Ausführungsform so beschrieben wird, dass sie eine Mehrzahl von Einheiten verwendet, um das beispielhafte Verfahren auszuführen, versteht es sich, dass die beispielhaften Verfahren auch von einem oder mehreren Modulen durchgeführt werden können. Zudem versteht es sich, dass sich der Begriff Steuerung/Steuereinheit auf eine Hardwarevorrichtung bezieht, die einen Speicher und einen Prozessor umfasst. Der Speicher ist eingerichtet, die Module zu speichern, und der Prozessor ist insbesondere eingerichtet, die Module auszuführen, um ein oder mehrere Verfahren durchzuführen, die weiter unten beschrieben werden.
Ferner kann die Steuerlogik der vorliegenden Offenbarung als nichtflüchtige computerlesbare Medien auf einem computerlesbaren Medium ausgeführt sein, das ausführbare Programmanweisungen enthält, die von einem Prozessor, einer Steuerung/Steuereinheit oder dergleichen ausgeführt werden. Beispiele der computerlesbaren Medien umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, ROM, RAM, Compact Disc (CD)-ROMs, Magnetbänder, Disketten, Flash-Laufwerke, Chipkarten und optische Datenspeichervorrichtungen. Das computerlesbare Aufzeichnungsmedium kann auch in netzwerkgekoppelten Computersystemen verteilt sein, so dass die computerlesbaren Medien in einer verteilten Weise gespeichert und ausgeführt werden, z. B. durch einen Telematik-Server oder ein Controller Area Network (CAN).
Spezifische strukturelle oder funktionale Beschreibungen beispielhafter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die in der folgenden Beschreibung dargelegt sind, werden beispielhaft gegeben, um die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu beschreiben. Die vorliegende Erfindung kann jedoch in vielen alternativen Formen ausgeführt werden und sollte nicht als auf die hier dargelegten Ausführungsformen beschränkt ausgelegt werden.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können auf verschiedene Weise modifiziert und verändert werden, und somit werden spezifische beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in den Zeichnungen dargestellt und in der folgenden Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausführlich beschrieben. Die beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sollen jedoch nur dazu dienen, die Erfindung vollständig zu offenbaren und Fachleute über den Umfang der Erfindung vollständig zu informieren.
In der folgenden Beschreibung der Ausführungsformen versteht es sich, dass die Begriffe „erster“, „zweiter“ usw. verwendet werden, um verschiedene Elemente zu beschreiben, diese Begriffe jedoch nicht verwendet werden, um die Elemente zu begrenzen. Das heißt, diese Begriffe werden lediglich zur Unterscheidung gleicher oder ähnlicher Elemente verwendet. Beispielsweise kann innerhalb des technischen Umfangs der Erfindung, sofern nichts anderes angegeben ist, ein erstes Element als zweites Element bezeichnet werden, und in ähnlicher Weise kann ein zweites Element als erstes Element bezeichnet werden.
In der folgenden Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen versteht es sich, dass, wenn ein Element mit einem anderen Element „verbunden“, „gekoppelt“ usw. ist, die zwei Elemente direkt verbunden oder gekoppelt sein können oder ein oder mehrere andere Elemente zwischen den zwei Elementen angeordnet sein können. Andererseits versteht es sich, dass, wenn ein Element mit einem anderen Element „direkt verbunden“, „direkt gekoppelt“ usw. ist, keine Elemente zwischen den beiden Elementen angeordnet sein können. In der folgenden Beschreibung der Ausführungsformen werden andere Begriffe, die Beziehungen zwischen Elementen ausdrücken, wie etwa „zwischen“ und „direkt zwischen“ oder „angrenzend an“ und „direkt angrenzend an“, auf die gleiche Weise interpretiert.
Es versteht sich, dass Begriffe, die in der folgenden Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen verwendet werden, lediglich verwendet werden, um spezifische Ausführungsformen zu beschreiben, und die Erfindung nicht einschränken sollen, und dass ein singulärer Ausdruck eines Elements einen pluralen Ausdruck des Elements umfasst, sofern nicht anders angegeben. In der folgenden Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen werden die Begriffe „einschließlich“, „aufweisend“ usw. so interpretiert, dass sie das Vorhandensein von Merkmalen, Zahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen oder Teilen, die in der Beschreibung oder Kombinationen davon angegeben sind, anzeigen und das Vorhandensein einer oder mehrerer Merkmale, Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Teile oder Kombinationen davon oder eine Möglichkeit, diese hinzuzufügen, nicht ausschließen.
Es versteht sich, dass sämtliche Begriffe, einschließlich technischer oder wissenschaftlicher Begriffe, die in der folgenden Beschreibung der beispielhaften Ausführungsformen verwendet werden, die gleichen Bedeutungen haben wie diejenigen, die im Allgemeinen von Fachleuten verstanden werden, sofern nicht anders definiert. Es wird auch interpretiert, dass Begriffe, die in allgemein verwendeten Wörterbüchern definiert sind, Bedeutungen haben, die mit kontextbezogenen Bedeutungen im Stand der Technik übereinstimmen, und keine idealen oder übermäßig formalen Bedeutungen haben, es sei denn, dies ist klar definiert.
Im Folgenden wird ausführlich auf die beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Bezug genommen, von denen Beispiele in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. In der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Zeichnungen sind gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, auch wenn sie in verschiedenen Zeichnungen dargestellt sind.
Eine Berechnungseinheit 40, eine Heizwertschätzeinheit 60 und eine Steuerung 50 gemäß den beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können durch einen Algorithmus implementiert werden, der eingerichtet ist, Betriebsvorgänge verschiedener Komponenten eines Fahrzeugs oder eines nicht-flüchtigen Speichers (nicht gezeigt) auszuführen, der eingerichtet ist, Daten in Bezug auf Softwarebefehle auszuführen, um den Algorithmus auszuführen, und einen Prozessor (nicht gezeigt), der eingerichtet ist, Betriebsvorgänge durchzuführen, die nachfolgend beschrieben werden, wobei die in dem entsprechenden Speicher gespeicherten Daten verwendet werden. Hier können der Speicher und der Prozessor als separate Chips implementiert sein. Alternativ können der Speicher und der Prozessor als ein einzelner integrierter Chip implementiert sein. Dabei können ein oder mehrere Prozessoren vorgesehen sein.
1 ist ein Blockdiagramm eines Kühlsteuersystems für Brennstoffzellen 10 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 2 ist ein Flussdiagramm, das ein Kühlsteuerverfahren für Brennstoffzellen 10 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. 3 ist eine graphische Darstellung, die eine Änderung der Temperatur des Kühlwassers an dem Auslass einer Kühlzirkulationsleitung 20 einer Brennstoffzelle 10 und eine Änderung der thermischen Energie der Brennstoffzelle 10 repräsentiert. 4 ist eine graphische Darstellung, die einen Steuerverstärkungswert zum Steuern einer Kühlwasserpumpe 30 entsprechend einem Öffnungsgrad eines Thermostatventils 100 darstellt. 5 ist eine graphische Darstellung, die eine variable Gleichung des in 4 gezeigten Steuerverstärkungswerts repräsentiert. Insbesondere können die hier beschriebenen Einheiten durch eine Steuerung mit einem Speicher und einem Prozessor betrieben werden.
Unter Bezugnahme auf 1 bis 5 kann das Kühlsteuersystem für Brennstoffzellen gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Brennstoffzelle 10, die Kühlzirkulationsleitung 20, die mit der Brennstoffzelle 10 verbunden ist, um Kühlwasser zum Kühlen der Brennstoffzelle 10 darin zu zirkulieren, die Kühlwasserpumpe 30, die an der Kühlzirkulationsleitung vorgesehen ist, um eine Zirkulationsmenge des Kühlwassers einzustellen, die Berechnungseinheit 40, die eingerichtet ist, eine Änderung der thermischen Energie der Brennstoffzelle 10 basierend auf einem Heizwert und einer Strahlungswärmemenge der Brennstoffzelle 10 zu berechnen, und die Steuerung 50, die eingerichtet ist, die Kühlwasserpumpe 30 basierend auf der durch die Berechnungseinheit 40 berechneten Änderung der Wärmeenergie der Brennstoffzelle 10 zu betreiben, umfassen.
Das Kühlsteuersystem kann ferner die Heizwertschätzeinheit 60 umfassen, die eingerichtet ist, den Heizwert der Brennstoffzelle 10 basierend auf Informationen über die Erzeugung von elektrischer Leistung der Brennstoffzelle 10 zu schätzen. Zudem kann das Kühlsteuersystem einen ersten Temperatursensor 70 und einen zweiten Temperatursensor 80 umfassen, die eingerichtet sind, die Temperaturen des Kühlwassers an einem Einlass und einem Auslass zu messen, an denen die Kühlzirkulationsleitung 20 und die Brennstoffzelle 10 verbunden sind.
Unter Bezugnahme auf 1 können die Steuerung 50, die Berechnungseinheit 40, die Heizwertschätzeinheit 60, die Kühlwasserpumpe 30, der erste Temperatursensor 70, der zweite Temperatursensor 80 und die Brennstoffzelle 10 durch Steuerleitungen verbunden sein, die durch eine gestrichelte Linie angegeben sind.
Die Steuerung 50 kann so eingerichtet sein, dass sie die Durchflussrate des Kühlwassers in der Kühlzirkulationsleitung 20 durch Einstellen der Drehzahl der Kühlwasserpumpe 30 einstellt, um so die Temperatur der Brennstoffzelle 10 einzustellen. Die Berechnungseinheit 40 kann so eingerichtet sein, dass sie die Strahlungswärmemenge der Brennstoffzelle 10 basierend auf den von dem ersten Temperatursensor 70 und dem zweiten Temperatursensor 80 gemessenen Temperaturen berechnet und die Änderung der thermischen Energie der Brennstoffzelle 10 basierend auf einem Wert berechnet, der durch Subtrahieren der Strahlungswärmemenge der Brennstoffzelle 10 von dem Heizwert der Brennstoffzelle 10 ermittelt wird.
Die Berechnungseinheit 40 kann so eingerichtet sein, dass sie die Änderung der thermischen Energie unter Verwendung der folgenden Gleichung berechnet. $\begin{array}{l} Δ E = \int ({\dot{Q}}_{g e n} - {\dot{Q}}_{d i s p}) d t \\ = \int {\dot{Q}}_{g e n} - c_{cln t} {\dot{W}}_{cln t} (T_{o} - T_{i}) d t \end{array}$
wobei ΔE die Änderung der thermischen Energie ist, Q_gen der Heizwert der Brennstoffzelle 10 ist und Q_disp die Strahlungswärmemenge der Brennstoffzelle 10 ist. T_o ist die Temperatur des Auslasses der Kühlzirkulationsleitung 20 der Brennstoffzelle 10, T_t ist die Temperatur des Einlasses der Kühlzirkulationsleitung 20 der Brennstoffzelle 10, C_c1nt ist die spezifische Wärme des Kühlwassers und ẇ_c1nt ist die Strömungsrate des Kühlwassers, das durch die Brennstoffzelle 10 fließt. Die Änderung der thermischen Energie der Brennstoffzelle 10 kann durch Berechnen der Änderung der thermischen Energie mithilfe der obigen Gleichung ermittelt werden.
In 3 repräsentiert T_o eine Temperaturänderung des Kühlwassers am Auslass der Kühlzirkulationsleitung 20 der Brennstoffzelle 10, und ΔE repräsentiert eine Änderung der thermischen Energie der Brennstoffzelle 10. Unter erneuter Bezugnahme auf 3 kann bestätigt werden, dass eher die Änderung der thermischen Energie der Brennstoffzelle 10 als die Änderung der Temperatur des Kühlwassers am Auslass der Kühlzirkulationsleitung 20 der Brennstoffzelle 10 sofort auf die Erwärmung reagiert. Wenn die Kühlwasserpumpe 30 basierend auf der Änderung der thermischen Energie der Brennstoffzelle 10 betrieben wird, kann daher die Kühlung der Brennstoffzelle 10 effektiver durchgeführt werden.
Das Kühlsteuersystem für Brennstoffzellen kann ferner einen Wärmetauscher 90, der an der Kühlzirkulationsleitung 20 vorgesehen ist, um Wärme zwischen dem Kühlwasser in der Kühlzirkulationsleitung 20 und der Außenseite auszutauschen, einen Umgehungspfad 21, der in der Kühlzirkulationsleitung 20 enthalten ist, damit das Kühlwasser darin den Wärmetauscher 90 umgehen kann, und ein Thermostatventil 100, das so eingerichtet ist, dass es eine Zirkulationsmenge des zu dem Wärmetauscher 90 oder zu dem Umgehungspfad 21 zirkulierten Kühlwassers basierend auf der Temperatur des Kühlwassers in der Kühlzirkulationsleitung 20 einstellt, umfassen.
Die Brennstoffzelle 10, die Kühlwasserpumpe 30, der erste Temperatursensor 70, der zweite Temperatursensor 80, der Wärmetauscher 90 und das Thermostatventil 100 können durch die Kühlzirkulationsleitung 20 verbunden sein. Das Thermostatventil 100 kann elektronisch betrieben werden und weist einen ähnlichen Aufbau wie die Drosselklappe eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor auf. Das Thermostatventil 100 kann die Temperatur des Kühlwassers, das in den Einlass der Kühlzirkulationsleitung 20 der Brennstoffzelle 10 strömt, durch Einstellung der Strömungsrate des Kühlwassers des Wärmetauschers 90 und die Durchflussrate des Kühlwassers des Umgehungspfads 21 durch Einstellung des Öffnungsgrads des Thermostatventils 100 einstellen.
Die Steuerung 50 kann so eingerichtet sein, dass sie die Kühlwasserpumpe 30 basierend auf dem Öffnungsgrad des Thermostatventils 100 und der Änderung der thermischen Energie der Brennstoffzelle 10 betreibt. Zudem kann die Steuerung 50 so eingerichtet sein, dass sie die Kühlwasserpumpe 30 betreibt, um eine vorbestimmte Grunddrehzahl aufrechtzuerhalten, und die Durchflussrate des Kühlwassers erhöht, wenn die Änderung der thermischen Energie der Brennstoffzelle 10 erhöht wird, um einen übermäßigen Anstieg der Innentemperatur der Brennstoffzelle 10 zu verhindern.
Wenn der Öffnungsgrad des Thermostatventils 100 erhöht wird, wird die Durchflussrate des Kühlwassers des Wärmetauschers 90 erhöht. Daher kann die Temperatur des Kühlwassers in der Kühlzirkulationsleitung 20 gesenkt werden, und die Innentemperatur der Brennstoffzelle 10 kann gesenkt werden. Wenn sich der Öffnungsgrad des Thermostatventils 100 dem Maximalwert annähert, ist ein Kühlungsspielraum zur Senkung der Innentemperatur der Brennstoffzelle 10 nicht ausreichend. Insbesondere kann die Strahlungswärmemenge der Brennstoffzelle 10 aufgrund der Kühlwasserpumpe 30 erhöht werden, indem die Drehzahl der Kühlwasserpumpe 30 nach Bedarf erhöht wird. Im Gegensatz dazu kann sich, wenn der Öffnungsgrad des Thermostatventils 100 abnimmt, der Kühlungsspielraum unter Verwendung des Thermostatventils 100 erhöhen, und somit kann die Drehzahl der Kühlwasserpumpe 30 verringert werden.
Die Steuerung 50 kann so eingerichtet sein, dass sie die Kühlwasserpumpe 30 durch Einstellen eines Steuerverstärkungswerts betreibt, was die Drehzahl der Kühlwasserpumpe 30 basierend auf dem Öffnungsgrad des Thermostatventils 100 einstellt, und das Thermostatventil 100 kann seinen Öffnungsgrad basierend auf der Temperatur der Brennstoffzelle 10 einstellen. Zudem kann die Steuerung 50 so eingerichtet sein, dass sie die Kühlwasserpumpe 30 mittels einer proportionalen Steuerung (P-Steuerung) betreibt. Ein Steueralgorithmus ist in der folgenden Gleichung ausgedrückt. $R P M_{c p s} = K_{p} s (Δ E - Δ E_{t h r e s})$
wobei RPM_cps die Drehzahl der Kühlwasserpumpe 30 angibt, K_p den Regelverstärkungswert angibt, ΔE die Änderung der thermischen Energie der Brennstoffzelle 10 angibt und ΔEt_rhres einen vorgegebenen Wert der Änderung der thermischen Energie angibt.
Unter Bezugnahme auf 4 kann bestätigt werden, dass R_ctv eine Öffnungsgradrate des Thermostatventils 100 ist, die Öffnungsgradrate ein Wert ist, der durch Dividieren eines aktuellen Öffnungsgradwerts durch den maximalen Öffnungsgradwert ermittelt wird, und der Wert K_p in Abhängigkeit von der Öffnungsgradrate R_ctv des Thermostatventils 100 eingestellt wird. $R_{c t v}^{l o w}$
ist ein Öffnungsgradratenwert des Thermostatventils 100 in einem Zustand, in dem der aktuelle Öffnungsgradwert der minimale Öffnungsgradwert ist, und $R_{c t v}^{h i g h}$
ist ein Öffnungsgradratenwert des Thermostatventils 100 in einem Zustand, in dem der aktuelle Öffnungsgradwert der maximale Öffnungsgradwert ist.
Ferner ist 5 eine graphische Darstellung, die eine variable Gleichung des in 4 gezeigten Steuerverstärkungswerts K_p darstellt. Unter Bezugnahme auf 5 kann die Steuerung 50 so eingerichtet sein, dass sie die Kühlwasserpumpe 30 betreibt, um die Drehzahl der Kühlwasserpumpe 30 so einzustellen, dass sie zu der vorgegebenen Grunddrehzahl wird, wenn die Änderung der thermischen Energie der Brennstoffzelle 10 der vorbestimmte Wert der Änderung der thermischen Energie oder weniger ist.
Wenn der Wert der Änderung der thermischen Energie ΔE der Brennstoffzelle 10 der vorgegebene Wert der Änderung der thermischen Energie ΔE_thres oder kleiner ist, wird der Wert von ΔE - ΔE_thres ein negativer Wert, und der Steueralgorithmus kann so ausgeführt werden, dass er die Kühlwasserpumpe 30 mit der vorgegebenen Grunddrehzahl betreibt. Die Steuerung 50 kann so eingerichtet sein, dass sie den Betrieb der Kühlwasserpumpe 30 stoppt, wenn die Änderung der thermischen Energie der Brennstoffzelle 10 der vorgegebene Wert der Änderung der thermischen Energie oder weniger ist.
Wenn zum Beispiel der vorbestimmte Wert der Änderung der thermischen Energie ΔE_thres auf 0 gesetzt wird, wird der Wert von ΔE - ΔE_thres zu einem negativen Wert, und der Steueralgorithmus wird ausgeführt, um den Betrieb der Kühlwasserpumpe 30 zu stoppen. Durch das Stoppen des Betriebs der Kühlwasserpumpe 30 kann der Leistungsverbrauch reduziert werden und die Kraftstoffeffizienz der Brennstoffzelle 10 kann verbessert werden. Die Steuerung 50 kann so eingerichtet sein, dass sie die Kühlwasserpumpe 30 betreibt, um die Drehzahl der Kühlwasserpumpe 30 proportional zu dem Steuerverstärkungswert zu erhöhen, wenn die Änderung der thermischen Energie der Brennstoffzelle 10 den vorgegebenen Wert der Änderung der thermischen Energie überschreitet.
Wenn der Wert der Änderung der thermischen Energie ΔE den vorbestimmten Wert der Änderung der thermischen Energie ΔE_thres überschreitet, kann der Steueralgorithmus ausgeführt werden, um die Kühlwasserpumpe 30 zu betreiben, indem die Drehzahl der Kühlwasserpumpe 30 basierend auf dem Steuerverstärkungswert berechnet wird. Durch Betreiben der Kühlwasserpumpe 30 unter Verwendung der Änderung der thermischen Energie der Brennstoffzelle 10 und Einstellen des Öffnungsgrades des Thermostatventils 100 kann eine präventive Kühlsteuerung zum Verhindern einer übermäßigen Erhöhung der Innentemperatur der Brennstoffzelle 10 erzielt werden.
Unter weiterer Bezugnahme auf 2 kann ein Kühlsteuerverfahren für Brennstoffzellen gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das Berechnen einer Änderung der thermischen Energie der Brennstoffzelle 10 basierend auf einer Strahlungswärmemenge und einem Heizwert der Brennstoffzelle 10 (Betriebsvorgänge S12 und S13) und das Betreiben der Kühlwasserpumpe 30 basierend auf der Änderung der thermischen Energie der Brennstoffzelle 10, die bei der Berechnung der thermischen Energieänderung der Brennstoffzelle 10 (Betriebsvorgänge S12 und S13) berechnet wurde, und das Einstellen eines Öffnungsgrades des Thermostatventils 100 (Betriebsvorgänge S20, S21, S30, S31 und S32) umfassen.
Das Kühlsteuerverfahren für Brennstoffzellen kann ferner das Schätzen des Heizwerts der Brennstoffzelle 10 basierend auf den Informationen zur Erzeugung von elektrischer Leistung der Brennstoffzelle 10 (Betriebsvorgang S10) umfassen. Zudem kann das Kühlsteuerverfahren das Messen der Temperaturen des Kühlwassers an dem Einlass und dem Auslass, an denen die Kühlzirkulationsleitung 20 und die Brennstoffzelle 10 verbunden sind (Betriebsvorgang S11), umfassen.
Bei der Berechnung der Änderung der thermischen Energie der Brennstoffzelle 10 (Betriebsvorgänge S12 und S13) kann die Strahlungswärmemenge der Brennstoffzelle 10 basierend auf den Temperaturen berechnet werden, die bei der Messung der Temperaturen des Kühlwassers (Betriebsvorgang S11) gemessen werden, und die Änderung der thermischen Energie der Brennstoffzelle 10 kann basierend auf einem Wert berechnet werden, der durch Subtrahieren der Strahlungswärmemenge der Brennstoffzelle 10 von dem Heizwert der Brennstoffzelle 10 ermittelt wird.
Beim Betrieb der Kühlwasserpumpe 30 (Betriebsvorgänge S20, S21, S30, S31 und S32) kann die Kühlwasserpumpe 30 durch Einstellen des Steuerverstärkungswerts zum Einstellen der Drehzahl der Kühlwasserpumpe 30 basierend auf dem Öffnungsgrad des Thermostatventils 100 betrieben werden. Zudem kann beim Betrieb der Kühlwasserpumpe 30 (Betriebsvorgang S31) die Kühlwasserpumpe 30 betrieben werden, um die Drehzahl der Kühlwasserpumpe 30 so einzustellen, dass sie zu der vorgegebenen Grunddrehzahl wird, wenn die Änderung der thermischen Energie der Brennstoffzelle 10 der vorgegebene Wert der Änderung der thermischen Energie oder weniger ist.
Die Steuerung 50 kann so eingerichtet sein, dass sie den Betrieb der Kühlwasserpumpe 30 stoppt, wenn die Änderung der thermischen Energie der Brennstoffzelle 10 der vorgegebene Wert der Änderung der thermischen Energie oder kleiner ist und der vorgegebene Wert der Änderung der thermischen Energie 0 ist. Zudem kann beim Betrieb der Kühlwasserpumpe 30 (Betriebsvorgang S21) die Kühlwasserpumpe 30 so betrieben werden, dass sie die Drehzahl der Kühlwasserpumpe 30 proportional zum Steuerverstärkungswert erhöht, wenn die Änderung der thermischen Energieänderung der Brennstoffzelle 10 den vorgegebenen Wert der Änderung der thermischen Energie überschreitet.
Wie aus der obigen Beschreibung ersichtlich ist, kann ein Kühlsteuersystem für Brennstoffzellen gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung so eingerichtet sein, dass es eine Kühlwasserpumpe basierend auf einer Änderung der thermischen Energie einer Brennstoffzelle und einem Öffnungsgrad eines Thermostatventils betreibt, wodurch eine übermäßige Erhöhung der Innentemperatur der Brennstoffzelle verhindert werden kann. Ferner kann der Öffnungsgrad des Thermostatventils vor der Drehzahl der Kühlwasserpumpe präventiv eingestellt werden, und somit kann eine Verbesserung der Kraftstoffeffizienz aufgrund einer Verringerung des Leistungsverbrauchs erzielt werden.
Obwohl die beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zum Zwecke der Veranschaulichung offenbart wurden, werden Fachleute verstehen, dass verschiedene Modifikationen, Ergänzungen und Substitutionen möglich sind, ohne vom Umfang und Geist der Erfindung, wie in den beigefügten Ansprüchen offenbart, abzuweichen.

Claims

Kühlsteuersystem für Brennstoffzellen, umfassend: eine Brennstoffzelle; eine Kühlzirkulationsleitung, die mit der Brennstoffzelle verbunden ist, um Kühlwasser zum Kühlen der Brennstoffzelle darin zu zirkulieren; eine Kühlwasserpumpe, die an der Kühlzirkulationsleitung vorgesehen ist, um eine Zirkulationsmenge des Kühlwassers einzustellen; eine Berechnungseinheit, die so eingerichtet ist, dass sie eine Änderung der thermischen Energie der Brennstoffzelle basierend auf einem Heizwert und einer Strahlungswärmemenge der Brennstoffzelle berechnet; und eine Steuerung, die so eingerichtet ist, dass sie die Kühlwasserpumpe basierend auf der berechneten Änderung der thermischen Energie der Brennstoffzelle betreibt.
Kühlsteuersystem für Brennstoffzellen nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine Heizwertschätzeinheit, die so eingerichtet ist, dass sie den Heizwert der Brennstoffzelle basierend auf Informationen über die Erzeugung der elektrischen Leistung der Brennstoffzelle schätzt.
Kühlsteuersystem für Brennstoffzellen nach Anspruch 1, ferner umfassend einen ersten Temperatursensor und einen zweiten Temperatursensor, die so eingerichtet sind, dass sie die Temperaturen des Kühlwassers an einem Einlass und einem Auslass, an denen die Kühlzirkulationsleitung und die Brennstoffzelle verbunden sind, messen, wobei die Berechnungseinheit so eingerichtet ist, dass sie die Strahlungswärmemenge der Brennstoffzelle basierend auf den durch den ersten Temperatursensor und den zweiten Temperatursensor gemessenen Temperaturen berechnet und die Änderung der thermischen Energie der Brennstoffzelle basierend auf einem Wert, der durch Subtrahieren der Strahlungswärmemenge der Brennstoffzelle von dem Heizwert der Brennstoffzelle ermittelt wird, berechnet.
Kühlsteuersystem für Brennstoffzellen nach Anspruch 1, ferner umfassend: einen an der Kühlzirkulationsleitung vorgesehenen Wärmetauscher, um Wärme zwischen dem Kühlwasser in der Kühlzirkulationsleitung und der Außenseite auszutauschen; einen Umgehungspfad, der in der Kühlzirkulationsleitung vorgesehen ist, damit das Kühlwasser darin den Wärmetauscher umgehen kann; und ein Thermostatventil, das so eingerichtet ist, dass es eine Zirkulationsmenge des zu dem Wärmetauscher oder dem Umgehungspfad zirkulierten Kühlwassers einstellt, wobei die Steuerung so eingerichtet ist, dass sie die Kühlwasserpumpe basierend auf einem Öffnungsgrad des Thermostatventils und der Änderung der thermischen Energie der Brennstoffzelle betreibt.
Kühlsteuersystem für Brennstoffzellen nach Anspruch 4, wobei die Steuerung so eingerichtet ist, dass sie die Kühlwasserpumpe betreibt, indem sie einen Steuerverstärkungswert zum Einstellen einer Drehzahl der Kühlwasserpumpe basierend auf dem Öffnungsgrad des Thermostatventils einstellt.
Kühlsteuersystem für Brennstoffzellen nach Anspruch 4, wobei ein Öffnungsgrad des Thermostatventils basierend auf der Innentemperatur der Brennstoffzelle eingestellt ist.
Kühlsteuersystem für Brennstoffzellen nach Anspruch 1, wobei die Steuerung so eingerichtet ist, dass sie die Kühlwasserpumpe betreibt, um eine Drehzahl der Kühlwasserpumpe so einzustellen, dass sie zu einer vorgegebenen Grunddrehzahl wird, wenn die Änderung der thermischen Energie der Brennstoffzelle eine vorgegebene Änderung der thermischen Energie oder weniger ist.
Kühlsteuersystem für Brennstoffzellen nach Anspruch 1, wobei die Steuerung so eingerichtet ist, dass sie den Betrieb der Kühlwasserpumpe stoppt, wenn die Änderung der thermischen Energie der Brennstoffzelle eine vorgegebene Änderung der thermischen Energie oder weniger ist und die vorbestimmte Änderung der thermischen Energie 0 ist.
Kühlsteuersystem für Brennstoffzellen nach Anspruch 1, wobei die Steuerung so eingerichtet ist, dass sie eine Drehzahl der Kühlwasserpumpe erhöht, wenn die Änderung der thermischen Energie der Brennstoffzelle eine vorgegebene Änderung der thermischen Energie übersteigt.
Kühlsteuerverfahren für Brennstoffzellen, umfassend: Berechnen, durch eine Steuerung, einer Änderung der thermischen Energie einer Brennstoffzelle basierend auf einer Strahlungswärmemenge und einem Heizwert der Brennstoffzelle; und Betreiben, durch eine Steuerung, einer Kühlwasserpumpe basierend auf der berechneten Änderung der thermischen Energie der Brennstoffzelle und Einstellen eines Öffnungsgrades eines Thermostatventils.
Kühlsteuerverfahren für Brennstoffzellen nach Anspruch 10, ferner umfassend Schätzen, durch die Steuerung, des Heizwerts der Brennstoffzelle basierend auf Informationen über die Erzeugung von elektrischer Leistung der Brennstoffzelle.
Kühlsteuerverfahren für Brennstoffzellen nach Anspruch 10, ferner umfassend Messen, durch die Steuerung, der Temperaturen des Kühlwassers an einem Einlass und einem Auslass, an denen die Kühlzirkulationsleitung und die Brennstoffzelle verbunden sind, wobei beim Berechnen der Änderung der thermischen Energie die Strahlungswärmemenge der Brennstoffzelle basierend auf den bei der Messung der Temperaturen des Kühlwassers gemessenen Temperaturen berechnet wird und die Änderung der thermischen Energie der Brennstoffzelle basierend auf einem Wert berechnet wird, der durch Subtrahieren der Strahlungswärmemenge der Brennstoffzelle von dem Heizwert der Brennstoffzelle ermittelt wird.
Kühlsteuerverfahren für Brennstoffzellen nach Anspruch 10, wobei beim Betrieb der Kühlwasserpumpe die Kühlwasserpumpe durch Einstellen eines Steuerverstärkungswertes zum Einstellen der Drehzahl der Kühlwasserpumpe basierend auf dem Öffnungsgrad des Thermostatventils betrieben wird.
Kühlsteuerverfahren für Brennstoffzellen nach Anspruch 10, wobei beim Betrieb der Kühlwasserpumpe die Kühlwasserpumpe betrieben wird, um eine Drehzahl der Kühlwasserpumpe so einzustellen, dass sie zu einer vorbestimmten Grunddrehzahl wird, wenn die Änderung der thermischen Energie der Brennstoffzelle eine vorgegebene Änderung der thermischen Energie oder weniger ist.
Kühlsteuerverfahren für Brennstoffzellen nach Anspruch 10, wobei beim Betrieb der Kühlwasserpumpe die Kühlwasserpumpe so betrieben wird, dass sie den Betrieb der Kühlwasserpumpe stoppt, wenn die Änderung der thermischen Energie der Brennstoffzelle eine vorgegebene Änderung der thermischen Energie oder weniger ist und die vorbestimmte Änderung der thermischen Energie 0 ist.
Kühlsteuerverfahren für Brennstoffzellen nach Anspruch 13, wobei beim Betrieb der Kühlwasserpumpe die Kühlwasserpumpe so betrieben wird, dass sie die Drehzahl der Kühlwasserpumpe erhöht, wenn die Änderung der thermischen Energie der Brennstoffzelle eine vorbestimmte Änderung der thermischen Energie überschreitet.