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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Technologie zu (Ab-)Schätzen (bzw. Veranschlagen) der Wärmeerzeugungsmenge eines Brennstoffzellenstapels und zur Steuerung einer Kühlpumpe auf der Grundlage der Wärmeerzeugungsmenge des Brennstoffzellenstapels.
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Beschreibung des Stands der Technik
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Die Aussagen in diesem Abschnitt sehen lediglich Hintergrundinformationen im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung vor und stellen möglicherweise keinen Stand der Technik dar.
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Eine Brennstoffzelle soll chemische Energie in elektrische Energie umwandeln, indem sie die Oxidations-Reduktions-Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff nutzt, die von einer Wasserstoffzufuhrvorrichtung bzw. einer Luftzufuhrvorrichtung zugeführt werden, und weist einen Brennstoffzellenstapel zur Erzeugung elektrischer Energie, ein Kühlsystem zum Kühlen desselben und dergleichen auf.
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Das heißt, Wasserstoff wird einer Anodenseite des Brennstoffzellenstapels zugeführt, und die Oxidationsreaktion von Wasserstoff wird an der Anode durchgeführt, um Proton und Elektron zu erzeugen, und die zu diesem Zeitpunkt erzeugten Protonen und Elektronen bewegen sich durch eine Elektrolytmembran bzw. einen Separator zu einer Kathode. An der Kathode wird Wasser durch die elektrochemische Reaktion erzeugt, an der Proton, Elektron und Sauerstoff in der Luft, die sich von der Anode bewegt, beteiligt sind, und elektrische Energie wird aus dem Strom der Elektronen erzeugt.
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Die thermische Energie wird zusammen mit der elektrischen Energie durch die chemische Reaktion im Brennstoffzellenstapel erzeugt. Der Brennstoffzellenstapel weist ein Kühlsystem auf, um zu verhindern, dass der Brennstoffzellenstapel durch die thermische Energie überhitzt und geschädigt wird. Insbesondere wird hauptsächlich ein wassergekühltes Kühlsystem zum Kühlen des Brennstoffzellenstapels verwendet, indem ein Kühlströmungspfad ausgebildet wird, durch den Kühlmittel zwischen den Einheitszellen, die der Brennstoffzellenstapel aufweist, strömt.
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Da es in einem solchen Kühlsystem schwierig ist, die Temperatur des Brennstoffzellenstapels direkt zu messen, kann sie indirekt geschätzt werden, indem man die durch den Brennstoffzellenstapel abgegebene Kühlmittelauslasstemperatur verwendet. Ferner wird das Kühlen des Brennstoffzellenstapels durch einen Thermostat gesteuert, um ein Verhältnis zwischen dem Kühlmittel, das durch einen Kühler geströmt ist, und dem Kühlmittel, das den Kühler umgangen hat, gemäß der geschätzten Temperatur des Brennstoffzellenstapels oder einer Pumpe zum Strömen des Kühlmittels zu steuern.
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Das heißt, der Brennstoffzellenstapel wird durch Mischen des Kühlmittels, das durch den Radiator geströmt ist und in den Thermostat strömt, und des Kühlmittels, das den Radiator umgangen hat, gekühlt. Es wurde jedoch festgestellt, dass, wenn Niedertemperatur-Kühlmittel, das den Kühler durchströmt hat, in den Brennstoffzellenstapel strömt, ein thermischer Schock im Brennstoffzellenstapel auftritt.
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Ferner haben wir festgestellt, dass der Kühler die Wärmeabgabeleistung in einem Zustand nicht aufrecht erhalten hat, in dem eine relativ geringe Wärmemenge im Brennstoffzellenstapel erzeugt wird und die erforderliche Wärmeabgabemenge gering ist, so dass, wenn die erforderliche Wärmeabgabemenge des Brennstoffzellenstapels wieder ansteigt, die für die Ausübung der Kühlleistung des Kühlsystems erforderliche Zeit verzögert wird.
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Das Vorstehende, als Hintergrund erläuterte, soll lediglich zum Verständnis des Hintergrunds der vorliegenden Offenbarung beitragen und soll nicht bedeuten, dass die vorliegende Offenbarung in den Bereich des Stands der Technik fällt, der den Fachleuten auf diesem Gebiet bereits bekannt ist.
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Offenbarung sieht ein Steuerungssystem und ein Steuerverfahren zur Steuerung einer Kühlpumpe auf der Grundlage der Wärmeerzeugungsmenge eines Brennstoffzellenstapels und der Kühlmitteltemperatur des Einlasses und des Auslasses eines Kühlströmungspfades des Brennstoffzellenstapels vor.
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In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung weist ein Kühlsteuerungssystem einer Brennstoffzelle auf: einen Brennstoffzellenstapel, der mit einem Kühlströmungspfad ausgebildet ist, in dem Wasserstoff und Sauerstoff aufgenommen bzw. zur Reaktion gebracht werden und in dem Kühlmittel zwischen Separatoren strömt; eine Kühlmittelzirkulationsleitung, die mit dem Kühlströmungspfad des Brennstoffzellenstapels verbunden ist und in der das Kühlmittel strömt; eine Kühlpumpe, die mit der Kühlmittelzirkulationsleitung verbunden ist und so ausgestaltet ist, dass sie das Kühlmittel zirkuliert, um den Brennstoffzellenstapel zu kühlen; eine Wärmeerzeugungsmengenschätzvorrichtung, die so ausgestaltet ist, dass sie eine Wärmeerzeugungsmenge des Brennstoffzellenstapels schätzt; eine Kühlmittelschätzvorrichtung, die so ausgestaltet ist, dass sie eine Menge des Kühlmittels zum Kühlen des Brennstoffzellenstapels auf der Grundlage der geschätzten Wärmeerzeugungsmenge des Brennstoffzellenstapels schätzt; und eine Antriebssteuerung, die so ausgestaltet ist, dass sie den Betrieb der Kühlpumpe auf der Grundlage der geschätzten Menge des Kühlmittels steuert.
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In einer Ausführungsform weist das Kühlsteuerungssystem ferner auf: einen ersten Temperaturerfassungssensor, der an einem Einlass des Kühlströmungspfads des Brennstoffzellenstapels angebracht ist, und einen zweiten Temperaturerfassungssensor, der an einem Auslass des Kühlströmungspfads des Brennstoffzellenstapels angebracht ist.
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Die Wärmeerzeugungsmengenschätzvorrichtung kann die Wärmeerzeugungsmenge des Brennstoffzellenstapels schätzen, indem sie ein Verhältnis zwischen einer theoretischen Spannung und einer durchschnittlichen Zellspannung des Brennstoffzellenstapels und der Ausgabe des Brennstoffzellenstapels verwendet.
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Die Wärmeerzeugungsmenge des Brennstoffzellenstapels kann geschätzt werden, indem ein Wert zwischen einer niedergradigen theoretischen Spannung in einem niedergradigen Zustand der Wärmeerzeugungsmenge und einer hochgradigen theoretischen Spannung in einem hochgradigen Zustand der Wärmeerzeugungsmenge als theoretische Spannung variabel angelegt wird. Die theoretische Spannung kann durch die Wärmeerzeugungsmengenschätzvorrichtung auf der Grundlage einer internen Feuchtigkeit des Brennstoffzellenstapels eingestellt werden, die theoretische Spannung kann durch die Wärmeerzeugungsmengenschätzvorrichtung auf der Grundlage einer durchschnittlichen Kühlmitteltemperatur und eines Ausgabewertes des Brennstoffzellenstapels eingestellt werden, und die theoretische Spannung kann durch einen Ausstoßzyklus von in einem Wasserabscheider gesammeltem Kondensat eingestellt werden.
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Die Kühlmittelschätzvorrichtung schätzt die Kühlmittelmenge zum Kühlen des Brennstoffzellenstapels auf der Grundlage einer Wärmeerzeugungsmenge, die durch Subtraktion einer Luftkühlmenge durch Luft von der geschätzten Wärmeerzeugungsmenge des Brennstoffzellenstapels berechnet wird, und die Antriebssteuerung steuert den Betrieb der Kühlpumpe auf der Grundlage der geschätzten Kühlmittelmenge zum Kühlen des Brennstoffzellenstapels.
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Die Antriebssteuerung kann eine erforderliche Kühlmittelströmungsrate auf der Grundlage der Kühlmittelmenge, einer kühlmittelspezifischen Wärme und einem Zielwert einer Kühlmitteltemperaturdifferenz zwischen dem Einlass und dem Auslass des Kühlströmungspfads schätzen.
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Die Antriebssteuerung kann die Kühlpumpe mit einer vordefinierten Drehzahl pro Minute (U/min) steuern, die auf der Grundlage der erforderlichen Kühlmittelströmungsrate des Kühlmittels bestimmt wird. Die vordefinierte Drehzahl kann auf der Grundlage der erforderlichen Kühlmittelströmungsrate, einer Durchschnittstemperatur des Kühlmittels und der Öffnung eines Bypassventils der Kühlmittelzirkulationsleitung vordefiniert werden.
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Die Antriebssteuerung kann einen Zielwert auf die Kühlmitteltemperaturdifferenz zwischen dem Einlass und dem Auslass des Kühlströmungspfads einstellen und die Drehzahl der Kühlpumpe erhöhen, wenn die Kühlmitteltemperaturdifferenz größer als der eingestellte Zielwert ist. Der Zielwert der Kühlmitteltemperaturdifferenz kann auf der Grundlage der Kühlmitteltemperatur am Auslass des Kühlströmungspfads und der Wärmeerzeugungsmenge des Brennstoffzellenstapels vordefiniert sein.
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In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung weist ein Kühlsteuerungsverfahren einer Brennstoffzelle auf: Messen einer Kühlmitteltemperatur an einem Einlass und einem Auslass eines Kühlströmungspfades durch einen ersten Temperaturerfassungssensor, der am Einlass des Kühlströmungspfades eines Brennstoffzellenstapels angebracht ist, und einen zweiten Temperaturerfassungssensor, der am Auslass des Kühlströmungspfades des Brennstoffzellenstapels angebracht ist; Schätzen einer Wärmeerzeugungsmenge des Brennstoffzellenstapels durch eine Wärmeerzeugungsmengenschätzvorrichtung; Schätzen einer Kühlmittelmenge zum Kühlen des Brennstoffzellenstapels auf der Grundlage der geschätzten Wärmeerzeugungsmenge des Brennstoffzellenstapels durch eine Kühlmittelschätzvorrichtung; und Steuern des Betriebs einer Kühlpumpe auf der Grundlage der geschätzten Kühlmittelmenge durch eine Antriebssteuerung.
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Das Schätzen der Wärmeerzeugungsmenge kann aufweisen: Schätzen der Wärmeerzeugungsmenge des Brennstoffzellenstapels auf der Grundlage eines Verhältnisses zwischen einer theoretischen Spannung und einer durchschnittlichen Zellspannung des Brennstoffzellenstapels und einer Ausgabe des Brennstoffzellenstapels. Die Wärmeerzeugungsmenge des Brennstoffzellenstapels kann geschätzt werden, indem ein Wert zwischen einer niedergradigen theoretischen Spannung in einem niedergradigen Zustand der Wärmeerzeugungsmenge und einer hochgradigen theoretischen Spannung in einem hochgradigen Zustand der Wärmeerzeugungsmenge als die theoretische Spannung variabel angelegt wird.
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Das Schätzen der Kühlmittelmenge zum Kühlen des Brennstoffzellenstapels kann aufweisen: Subtrahieren einer Luftkühlmenge durch die Luft von der geschätzten Wärmeerzeugungsmenge des Brennstoffzellenstapels.
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Das Steuern des Betriebs der Kühlpumpe kann aufweisen: Schätzen einer erforderlichen Kühlmittelströmungsrate durch Dividieren der geschätzten Kühlmittelmenge durch eine kühlmittelspezifische Wärme des Kühlmittels und eine Kühlmitteltemperaturdifferenz zwischen dem Einlass und dem Auslass des Kühlströmungspfads.
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Das Steuern des Betriebs der Kühlpumpe kann aufweisen: Einstellen eines Zielwerts auf eine Kühlmitteltemperaturdifferenz zwischen dem Einlass und dem Auslass des Kühlströmungspfads, und Erhöhen der Drehzahl der Kühlpumpe, wenn die Kühlmitteltemperaturdifferenz größer als der eingestellte Zielwert ist.
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Wie oben mit den beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben, ist es möglich, die Steuerung der Kühlpumpe auf der Grundlage der Wärmeerzeugungsmenge des Brennstoffzellenstapels zu verbessern und dadurch die Exposition gegenüber dem vorübergehenden trockenen und hochtemperaturigen thermischen Schockzustand zu reduzieren oder zu minimieren.
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Es ist möglich, die Kühlpumpe auf der Grundlage der Wärmeerzeugungsmenge des Brennstoffzellenstapels zu steuern, wodurch das Ansprechverhalten der Kühlung verbessert und die Lebensdauer erhöht wird.
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Es ist möglich, die Drehzahl der Kühlpumpe auf ein angemessenes Niveau im Vergleich zum konventionellen Niveau zu senken, wenn vom plötzlichen Ausgabezustand in den BZ-STOP-Modus (FC Stop Modus) geschaltet wird.
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Weitere Anwendungsbereiche ergeben sich aus der hier vorgesehenen Beschreibung. Es ist zu verstehen, dass die Beschreibung und die spezifischen Beispiele nur der Veranschaulichung dienen und nicht den Umfang der vorliegenden Offenbarung einschränken sollen.
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Figurenliste
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Um die Offenbarung gut verständlich zu machen, werden nun verschiedene Ausführungsformen beschrieben, wobei beispielhaft auf die beigefügten Zeichnungen verwiesen wird, in denen:
- 1 ein Blockdiagramm eines Kühlsteuerungssystems einer Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist;
- 2 ein Flussdiagramm ist, das ein Kühlsteuerungsverfahren der Brennstoffzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt;
- 3 ein Diagramm ist, das den Strom eines Brennstoffzellenstapels, die Öffnung eines Bypassventils einer Kühlmittelzirkulationsleitung und die Drehzahl einer Kühlpumpe gemäß einer Kühlsteuerung der Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt;
- 4 ein Diagramm ist, das den Strom des Brennstoffzellenstapels und die Temperatur des Einlasses und des Auslasses eines Kühlströmungspfads gemäß einer Kühlsteuerung der Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt; und
- 5 eine Grafik ist, die eine Veränderung der Wärmeerzeugungsmenge der Einheit in Abhängigkeit von der Feuchtigkeit gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung darstellt.
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Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen nur zu Illustrationszwecken und sind nicht dazu gedacht, den Umfang der vorliegenden Offenbarung in irgendeiner Weise einzuschränken.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Die nachfolgende Beschreibung hat lediglich beispielhaften Charakter und soll die gegenwärtige Offenbarung, Anwendung oder Verwendungen nicht einschränken. Es ist zu verstehen, dass in allen Zeichnungen gleichartige Bezugszeichen auf gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale hinweisen.
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Spezifische strukturelle und funktionelle Beschreibungen der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, die in der Beschreibung oder in der Anmeldung offenbart werden, dienen nur dem Zweck, die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung darzustellen, und die Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenbarung können in verschiedenen Ausführungsformen ausgebildet sein und sollten nicht so ausgelegt werden, dass sie auf die in der Beschreibung oder in der Anmeldung dargelegten Ausführungsformen beschränkt sind.
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In den Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenbarung können verschiedene Modifikationen und verschiedene Ausgestaltungen vorgenommen werden, wobei bestimmte Ausgestaltungen in den Zeichnungen dargestellt und in der Beschreibung oder in der Anmeldung im Einzelnen beschrieben werden. Es sollte jedoch verstanden werden, dass es nicht beabsichtigt ist, die Ausführungsformen gemäß den Konzepten der vorliegenden Offenbarung auf die jeweils konkret offenbarten Ausführungsformen zu beschränken, sondern dass die Offenbarung alle Änderungen, Äquivalente und Alternativen umfasst, die in den Geist und technischen Umfang der vorliegenden Offenbarung fallen.
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Die Begriffe „erste“ und/oder „zweite“ und dergleichen können verwendet werden, um verschiedene Bestandteile darzustellen, aber die Bestandteile sollen nicht durch die Begriffe eingeschränkt werden. Die Begriffe werden verwendet, um ein Element von einem anderen zu unterscheiden, z.B. kann eine erste Komponente als eine zweite Komponente bezeichnet werden, und ebenso kann die zweite Komponente auch als die erste Komponente bezeichnet werden, ohne von Ansprüchen gemäß den Konzepten der vorliegenden Offenbarung abzuweichen.
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Es wird davon ausgegangen, dass, wenn ein Element als mit einem anderen Element „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet wird, es mit dem anderen Element „direkt verbunden“ oder „gekoppelt“ sein kann, aber auch das andere Elemente mit dazwischen liegen können. Andererseits sollte verstanden werden, dass ein beliebiges Ausgestaltungselement kein anderes Element zwischen den angegebenen Zeitpunkten aufweist, das mit einem anderen Element „direkt verbunden“ oder „direkt gekoppelt“ ist. Andere Ausdrücke, welche die Beziehung zwischen Elementen beschreiben, wie „zwischen“ und „direkt dazwischen“ oder „angrenzend an“ und „direkt angrenzend an“, sollten ebenfalls so ausgelegt werden.
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Die in der Beschreibung verwendete Terminologie dient nur der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen und ist nicht dazu gedacht, die vorliegende Offenbarung einzuschränken. Die Singularformen sollen auch die Pluralformen umfassen, es sei denn, aus dem Kontext geht eindeutig etwas anderes hervor. In der Beschreibung wird ferner verstanden, dass die Begriffe „aufweisend“ oder „weist auf“ und dergleichen das Vorhandensein von angegebenen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Komponenten oder Kombinationen davon umfasst, jedoch nicht das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einem oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Komponenten oder Kombinationen davon ausschließt.
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Im Folgenden wird die vorliegende Offenbarung ausführlich beschrieben, indem beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden. Die gleichen Bezugszeichen, die in jeder Zeichnung angegeben sind, bezeichnen die gleichen Elemente.
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Eine Wärmeerzeugungsmengenschätzvorrichtung, eine Kühlmittelschätzvorrichtung und eine Antriebssteuerung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung können durch einen nichtflüchtigen Speicher (nicht dargestellt), der so ausgestaltet ist, dass er Daten speichert, die sich auf einen Algorithmus beziehen, der so ausgestaltet ist, dass er den Betrieb verschiedener Komponenten des Fahrzeugs oder Software-Anweisungen zur Reproduktion des Algorithmus steuert, und einen Prozessor (nicht dargestellt), der so ausgestaltet ist, dass er die nachfolgend beschriebene Operation unter Verwendung der im entsprechenden Speicher gespeicherten Daten ausführt, implementiert sein. Hierbei können der Speicher und der Prozessor als separate Chips ausgeführt werden. Alternativ können der Speicher und der Prozessor als ein einziger, miteinander integrierter Chip ausgeführt sein. Der Prozessor kann die Form eines oder mehrerer Prozessoren aufweisen.
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1 ist ein Blockdiagramm eines Kühlsteuerungssystems einer Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, 2 ist ein Flussdiagramm eines Kühlsteuerungsverfahrens der Brennstoffzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, und 3 ist ein Diagramm des Stroms eines Brennstoffzellenstapels, der Öffnung eines Bypassventils einer Kühlmittelzirkulationsleitung und der Drehzahl einer Kühlpumpe 200 gemäß einer Kühlsteuerung der Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Der CTV des Graphen bezeichnet das Bypassventil der Kühlmittelzirkulationsleitung. 4 ist ein Diagramm des Stroms des Brennstoffzellenstapels und der Temperatur des Einlasses und des Auslasses eines Kühlströmungspfads gemäß einer Kühlsteuerung der Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. Der CT10 bezieht sich auf die von einem ersten Temperaturerfassungssensor erfasste Temperatur und der CT20 bezieht sich auf die von einem zweiten Temperaturerfassungssensor erfasste Temperatur. 5 ist eine Grafik, die eine Veränderung der Wärmeerzeugungsmenge der Einheit in Abhängigkeit von Feuchtigkeit darstellt.
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Bezugnehmend auf 1 bis 5 weist ein Brennstoffzellen-Kühlsteuerungssystem gemäß der vorliegenden Offenbarung einen Brennstoffzellenstapel 100, der mit einem Kühlströmungspfad ausgebildet ist, in dem Wasserstoff und Sauerstoff aufgenommen bzw. zur Reaktion gebracht werden, und Kühlmittel, das zwischen Separatoren strömt; eine Kühlmittelzirkulationsleitung 60, die mit dem Kühlströmungspfad des Brennstoffzellenstapels 100 verbunden ist und in der das Kühlmittel strömt; eine Kühlpumpe 200, die mit der Kühlmittelzirkulationsleitung 60 verbunden ist, um das Kühlmittel zum Kühlen des Brennstoffzellenstapels 100 zu zirkulieren; eine Wärmeerzeugungsmengenschätzvorrichtung 30 zum Schätzen der Wärmeerzeugungsmenge des Brennstoffzellenstapels 100; eine Kühlmittelschätzvorrichtung 40 zum Schätzen der erforderlichen Kühlmittelmenge auf der Grundlage der durch die Wärmeerzeugungsmengenschätzvorrichtung 30 geschätzten Wärmeerzeugungsmenge des Brennstoffzellenstapels 100; und eine Antriebssteuerung 50 zum Steuern des Betriebs der Kühlpumpe 200 auf der Grundlage der durch die Kühlmittelschätzvorrichtung 40 geschätzten erforderlichen Kühlmittelmenge, auf.
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Das Brennstoffzellen-Kühlsteuerungssystem gemäß der vorliegenden Offenbarung weist ferner einen ersten Temperaturerfassungssensor 10, der am Einlass des Kühlströmungspfads des Brennstoffzellenstapels 100 angebracht ist, und einen zweiten Temperaturerfassungssensor 20, der am Auslass des Kühlströmungspfads des Brennstoffzellenstapels 100 angebracht ist, auf.
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Der Brennstoffzellenstapel 100, der erste Temperaturerfassungssensor 10, der zweite Temperaturerfassungssensor 20 und die Kühlpumpe 200 sind durch die Kühlmittelzirkulationsleitung 60 verbunden, und der Brennstoffzellenstapel 100, die Wärmeerzeugungsmengenschätzvorrichtung 30, die Kühlmittelschätzvorrichtung 40, die Antriebssteuerung 50 und die Kühlpumpe 200 sind durch eine Steuerleitung verbunden. Die Antriebssteuerung 50 kann die Drehzahl der Kühlpumpe 200 steuern.
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Die Wärmeerzeugungsmengenschätzvorrichtung 30 kann die Wärmeerzeugungsmenge des Brennstoffzellenstapels 100 schätzen, indem sie das Verhältnis zwischen einer theoretischen Spannung und einer durchschnittlichen Zellspannung des Brennstoffzellenstapels 100 und der Ausgabe des Brennstoffzellenstapels 100 verwendet.
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Die theoretische Spannung ist die von der Wärmeerzeugungsmengenschätzvorrichtung 30 geschätzte Spannung des Brennstoffzellenstapels 100, und die Wärmeerzeugungsmenge des Brennstoffzellenstapels kann durch Berechnung von ((theoretische Spannung/durchschnittliche Zellspannung)-1)*Ausgabe/1000 geschätzt werden.
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Die theoretische Spannung kann entsprechend verschiedenen Faktoren variieren, und die Wärmeerzeugungsmenge des Brennstoffzellenstapels 100 kann durch variables Anlegen eines Wertes zwischen der niedergradigen theoretischen Spannung im Zustand der niedergradigen Wärmeerzeugungsmenge und der hochgradigen theoretischen Spannung im Zustand der hochgradigen Wärmeerzeugungsmenge geschätzt werden. Im Allgemeinen wird die theoretische Spannung zwischen der niedergradigen theoretischen Spannung und der hochgradigen theoretischen Spannung entsprechend davon bestimmt, ob erzeugtes Wasser kondensiert oder ob latente Wärme vorhanden ist.
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Ferner kann unter Bezugnahme auf 5 die theoretische Spannung durch die interne Feuchtigkeit des Brennstoffzellenstapels 100 eingestellt werden. Wenn die relative Feuchtigkeit gegenüber der internen Feuchtigkeit 0% beträgt, wird die theoretische Spannung als hochgradige theoretische Spannung angelegt, und wenn die relative Feuchtigkeit 100% beträgt, wird sie als niedergradige theoretische Spannung angelegt. Ein Mittelwert kann durch Durchführung der Linearisierung angewendet werden. Der Wert der relativen Feuchtigkeit wird gemäß einem Echtzeitwert eines relativen Feuchtigkeitssensors oder einem geschätzten Wert der relativen Feuchtigkeit gemäß dem vordefinierten Kennfeld (Pre-mapped map) bestimmt.
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Ferner kann die theoretische Spannung durch die mittlere Kühlmitteltemperatur und den Ausgabewert eingestellt werden. Die niedergradige theoretische Spannung wird als Anfangswert eingestellt, und die theoretische Spannung kann durch das vordefinierte Kennfeld auf der Grundlage der durchschnittlichen Kühlmitteltemperatur und dem Ausgabewert des Brennstoffzellenstapels 100 erhalten werden.
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Ferner kann die theoretische Spannung durch den Ausstoßzyklus des in einem Wasserabscheider gesammelten Kondensats eingestellt werden. Zum Beispiel kann, nachdem die Betriebstemperatur auf 75 Grad Celsius eingestellt ist und der Kondensatausstoßzyklus bei der durchschnittlichen Ausgabeleistung in der Stadt auf einen Referenzzyklus eingestellt ist, die Spannung des Referenzzyklus auf die niedergradige theoretische Spannung eingestellt werden, der Maximalwert kann auf die hochgradige theoretische Spannung eingestellt werden, und die theoretische Spannung kann angewendet werden, indem die Linearisierung gemäß der Zunahme und Abnahme im Kondensatausstoßzyklus durchgeführt wird.
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Die Wärmeerzeugungsmengenschätzvorrichtung 40 schätzt die erforderliche Kühlmenge gemäß der Wärmeerzeugungsmenge des Brennstoffzellenstapels 100 durch Subtraktion der Luftkühlmenge durch die Luft von der geschätzten Wärmeerzeugungsmenge des Brennstoffzellenstapels 100, und die Antriebssteuerung 50 steuert den Betrieb der Kühlpumpe 200 auf der Grundlage der geschätzten erforderlichen Kühlmenge.
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Da die erforderliche Kühlmenge die Summe aus der erforderlichen Kühlmenge und der Luftkühlmenge ist, und die Wärmeerzeugungsmenge des Brennstoffzellenstapels 100 die erforderliche Kühlmenge ist, ist die erforderliche Kühlmenge ein Wert, der durch Subtraktion der Luftkühlmenge von der Wärmeerzeugungsmenge des Brennstoffzellenstapels 100 erhalten wird.
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Die Luftkühlmenge kann als eine Konstante formuliert oder behandelt werden. Wenn die Luftkühlmenge zum Beispiel als Konstante behandelt wird, kann sie auf weniger als 2 bis 3 kW geschätzt werden.
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Die Antriebssteuerung 50 kann die erforderliche Strömungsrate des Kühlmittels schätzen, indem sie die erforderliche Kühlmittelmenge, die durch die Wärmeerzeugungsmengenschätzvorrichtung 40 geschätzt wird, mit der spezifischen Wärme des Kühlmittels und einem Zielwert der Kühlmitteltemperaturdifferenz zwischen dem Einlass und dem Auslass des Kühlströmungspfads berechnet.
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Die spezifische Wärme ist ein Wert, der durch Multiplikation des Mittelwerts der vom Temperaturerfassungssensor erfassten Temperatur des Kühlmittels am Auslass und Einlass des Kühlströmungspfads mit 0,0052 und 2,872 erhalten wird.
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Die Kühlpumpe 200 kann bei einer vordefinierten Drehzahl gemäß der erforderlichen Strömungsrate des Kühlmittels gesteuert werden. Die vordefinierte Drehzahl kann gemäß der erforderlichen Kühlmittelströmungsrate, der Durchschnittstemperatur des Kühlmittels und der Öffnung des Bypassventils der Kühlmittelzirkulationsleitung vordefiniert (pre-mapped) sein.
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Zum Beispiel kann der Drehzahlwert der Kühlpumpe 200 berechnet werden durch CO + C1 * die Öffnung des Bypassventils der Kühlmittelzirkulationsleitung - C2 * die Durchschnittstemperatur des Kühlmittels + C3 * die erforderliche Kühlmittelströmungsrate, und CO bis C3 können auf eine Konstante eingestellt sein.
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Es ist möglich, die Steuerung der Kühlpumpe 200 auf der Grundlage der Wärmeerzeugungsmenge des Brennstoffzellenstapels 100 zu verbessern, um die Exposition gegenüber dem vorübergehenden trockenen und hochtemperaturigen thermischen Schockzustand zu reduzieren oder zu minimieren und dadurch das Ansprechverhalten der Kühlung zu verbessern und die Lebensdauer zu erhöhen.
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Ferner kann unter Bezugnahme auf 3 der Änderungsbetrag der Drehzahl der Kühlpumpe 200 gemäß dem Strom des Brennstoffzellenstapels und dem Öffnungswert des Bypassventils der Kühlmittelzirkulationsleitung bestimmt werden.
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Die Antriebssteuerung 50 kann einen Zielwert für die Kühlmitteltemperaturdifferenz zwischen dem Einlass und dem Auslass des Kühlströmungspfads einstellen und die Drehzahl der Kühlpumpe 200 erhöhen, wenn die Kühlmitteltemperaturdifferenz größer als der eingestellte Zielwert ist. Der Zielwert der Kühlmitteltemperaturdifferenz kann gemäß der Kühlmitteltemperatur am Auslass des Kühlströmungspfads und der Wärmeerzeugungsmenge des Brennstoffzellenstapels 100 vordefiniert sein.
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Der vordefinierte Zielwert der Kühlmitteltemperaturdifferenz wird verringert, wenn die Kühlmitteltemperatur am Auslass des Kühlströmungspfads ansteigt oder die Wärmeerzeugungsmenge des Brennstoffzellenstapels 100 zunimmt. Der Zielwert der Kühlmitteltemperaturdifferenz ist so vordefiniert (pre-mapped), dass er abnimmt, wenn die Wärmeerzeugungsmenge des Brennstoffzellenstapels 100 zunimmt, wenn die Kühlmitteltemperatur am Ausgang des Kühlströmungspfads konstant ist. Ferner ist der Zielwert der Kühlmitteltemperaturdifferenz so vordefiniert, dass er abnimmt, wenn die Kühlmitteltemperatur am Auslass des Kühlströmungspfads zunimmt, wenn die Wärmeerzeugungsmenge des Brennstoffzellenstapels 100 konstant ist. Wenn die Kühlmitteltemperatur am Auslass des Kühlströmungspfads und die Wärmeerzeugungsmenge des Brennstoffzellenstapels 100 zur gleichen Zeit ansteigt, wird der Zielwert der Kühlmitteltemperaturdifferenz so vordefiniert, dass er abnimmt.
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Beispielsweise wird im Bereich des Stadtbetriebs oder des Heizbetriebs des Brennstoffzellenstapels 100 die erforderliche Kühlmittelmenge relativ verringert und die Drehzahl der Kühlpumpe 200 gesenkt, indem der Zielwert der Kühlmitteltemperaturdifferenz nach oben angelegt wird, und im Bereich der kontinuierlichen Hochleistung oder im Bereich des Hochtemperatur-Betriebs wird die erforderliche Kühlmittelmenge relativ erhöht und die Drehzahl der Kühlpumpe 200 erhöht, indem der Zielwert der Kühlmitteltemperaturdifferenz nach unten angelegt wird.
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Ferner kann unter Bezugnahme auf 4 eine Änderung zwischen dem Strom des Brennstoffzellenstapels 100 und der Kühlmitteltemperatur am Einlass und Auslass des Kühlströmungspfads bestätigt werden.
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Ferner umfasst, unter Bezugnahme auf 2, ein Brennstoffzellen-Kühlsteuerungsverfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung das Messen der Kühlmitteltemperatur des Einlasses und des Auslasses des Kühlströmungspfads durch den ersten Temperaturerfassungssensor 10, der am Einlass des Kühlströmungspfads des Brennstoffzellenstapels 100 angebracht ist, und den zweiten Temperaturerfassungssensor 20, der am Auslass des Kühlströmungspfads des Brennstoffzellenstapels 100 angebracht ist (Schritt S10); Schätzen der Wärmeerzeugungsmenge des Brennstoffzellenstapels 100 (Schritt S12); Schätzen der erforderlichen Kühlmittelmenge auf der Grundlage der Wärmeerzeugungsmenge des Brennstoffzellenstapels 100, die bei dem Schätzen der Wärmeerzeugungsmenge (Schritt S12) geschätzt worden ist (Schritt S13); und Steuern der Antriebssteuerung der Kühlpumpe 200 auf der Grundlage der erforderlichen Kühlmittelmenge, die bei dem Schätzen des Kühlmittels geschätzt worden ist (Schritt S14).
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Das Schätzen der Wärmeerzeugungsmenge (Schritt S12) kann die Wärmeerzeugungsmenge des Brennstoffzellenstapels 100 durch Verwendung des Verhältnisses zwischen der theoretischen Spannung und der durchschnittlichen Zellspannung des Brennstoffzellenstapels 100 und der Ausgabe des Brennstoffzellenstapels 100 schätzen. Die Wärmeerzeugungsmenge des Brennstoffzellenstapels 100 kann geschätzt werden, indem ein Wert zwischen der niedergradigen theoretischen Spannung im Zustand der niedergradigen Wärmeerzeugungsmenge und der hochgradigen theoretischen Spannung im Zustand der hochgradigen Wärmeerzeugungsmenge als theoretische Spannung variabel angelegt wird.
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Das Schätzen des Kühlmittels (Schritt S13) kann die erforderliche Kühlmenge gemäß der Wärmeerzeugungsmenge des Brennstoffzellenstapels 100 durch Subtrahieren der Luftkühlmenge durch die Luft von der geschätzten Wärmeerzeugungsmenge des Brennstoffzellenstapels 100 schätzen, und das Steuern des Betriebs (Schritt S14) kann den Antrieb der Kühlpumpe 200 auf der Grundlage der geschätzten erforderlichen Kühlmenge steuern.
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Das Steuern des Betriebs (Schritt S14) kann die erforderliche Strömungsrate des Kühlmittels schätzen, indem die erforderliche Kühlmittelmenge, die beim Schätzen des Kühlmittels (Schritt S13) geschätzt worden ist, durch die spezifische Wärme des Kühlmittels und die Temperaturdifferenz des Kühlmittels zwischen dem Einlass und dem Auslass des Kühlströmungspfads geteilt wird. Das Steuern des Betriebs (Schritt S14) kann die Kühlpumpe 200 durch die vordefinierte Drehzahl gemäß der erforderlichen Kühlmittel-Strömungsrate steuern.
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Das Steuern des Betriebs (Schritt S14) kann den Zielwert auf die Kühlmitteltemperaturdifferenz zwischen dem Einlass und dem Auslass des Kühlströmungspfads einstellen (Schritt S15) und die Drehzahl der Kühlpumpe 200 erhöhen, wenn die Kühlmitteltemperaturdifferenz größer als der eingestellte Zielwert (Schritt S20) ist (Schritt S21). Der Zielwert der Kühlmitteltemperaturdifferenz kann gemäß der Kühlmitteltemperatur am Auslass des Kühlströmungspfads und der Wärmeerzeugungsmenge des Brennstoffzellenstapels 100 vordefiniert sein.
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Obwohl die Offenbarung in Bezug auf die spezifischen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung dargestellt und beschrieben worden ist, wird es von den Fachleuten verstanden werden, dass verschiedene Verbesserungen und Änderungen der vorliegenden Offenbarung innerhalb des technischen Geistes der vorliegenden Offenbarung vorgenommen werden können.
