DE102021104096A1 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems - Google Patents

Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems Download PDF

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Yutaka Tano
Osamu Yumita
Sho KATO
Shinya Oowatari
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Abstract

Ein Brennstoffzellensystem umfasst: Eine Brennstoffzelle; eine Reaktionsgaszuführungseinrichtung, die der Brennstoffzelle ein Brenngas und ein Oxidationsgas zuführt; einen ersten Wandler, der die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle umwandelt, eine Sekundärbatterie; eine Verbindungsleitung, die den ersten Wandler und die Sekundärbatterie parallel zu einer Last verbindet; und eine Steuerungseinrichtung. Die Steuerungseinrichtung umfasst einen ersten Betriebsmodus und einen zweiten Betriebsmodus. In dem ersten Betriebsmodus wird der erste Wandler mit einer Hochsetzbarkeit betrieben, die in der Lage ist von dem ersten Wandler realisiert zu werden. In dem zweiten Betriebsmodus wird der erste Wandler mit der maximalen Hochsetzbarkeit betrieben, die in der Lage ist von dem ersten Wandler realisiert zu werden, und in dem die Reaktionsgaszuführungseinrichtung verwendet wird, um den Ausgangsstrom der Brennstoffzelle zu steuern.

Description

  • Technischer Hintergrund
  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems.
  • Verwandte Technik
  • Herkömmlicherweise gibt es eine Technologie, bei der eine Stromerzeugung mit niedriger Effizienz, beziehungsweise niedrigem Wirkungsgrad durchgeführt wird, so dass ein Aufwärmbetrieb an dem Brennstoffzellensystem ausgeführt wird (ungeprüfte japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2007-184243 ). In einem Brennstoffzellensystem sind eine Brennstoffzelle und ein DC-DC-Wandler für eine Brennstoffzelle und eine Sekundärbatterie und ein DC-DC-Wandler für eine Sekundärbatterie zu einem Inverter eines Antriebsmotors parallel geschalten.
  • Eine Brennstoffzelle wandelt in einem Brenngas enthaltene Energie in elektrische Energie und thermische Energie um. Bei einem Aufwärmbetrieb wird eine geringere Menge eines Reaktionsgases als in einem Normalbetrieb zu der Brennstoffzelle zugeführt. In einem solchen Zustand wird ein Betriebspunkt gesteuert, der eine Kombination der Ausgangsspannung und des Ausgangsstroms der Brennstoffzelle ist. An dem gesteuerten Betriebspunkt wird die Brennstoffzelle derart betrieben, dass der Anteil der thermischen Energie, die von der Brennstoffzelle ausgegeben wird, hoch ist und dass der Anteil der elektrischen Energie gering ist. Insbesondere wird die Brennstoffzelle an einem Betriebspunkt betrieben, der einen hohen Strom und eine geringe Spannung aufweist.
  • Wenn bei der Technologie gemäß Patentliteratur 1 ein Normalbetrieb zu dem Aufwärmbetrieb hin verschoben, beziehungsweise umgeschaltet wird, wird ein Betriebspunkt von einem Betriebspunkt, an dem der Normalbetrieb ausgeführt wird, zu einem Betriebspunkt verschoben, an dem der Niedrigeffizienzbetrieb ausgeführt wird, während der Ausgangsstrom konstant gehalten wird. Insbesondere wird ein Aufwärtswandler verwendet, der die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle umwandelt, und die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle wird somit auf eine Zielspannung in dem Niedrigeffizienzbetrieb verringert. Andererseits wird die Menge an Oxidationsgas, das von einer Oxidationsgaszuführungsquelle zugeführt wird, derart angepasst, dass der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle gesteuert wird. Wenn bei der Technologie aus Patentliteratur 1 der Normalbetrieb in den Aufwärmbetrieb hin verschoben wird, wird die Ausgangsleistung konstant gehalten und eine Leistungsvorrichtung, die zur Zeit des Betriebs eines Fahrzeugs verwendet wird, und eine Leistungsvorrichtung, die bei dem Betrieb der Brennstoffzelle verwendet wird, können somit stabil betrieben werden.
  • Der Aufwärmbetrieb einer Brennstoffzelle wird ausgeführt, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle niedrig ist. Bei dem Aufwärmbetrieb der Brennstoffzelle wird eine kleinere Menge an Reaktionsgas als in einem Normalbetrieb zu der Brennstoffzelle zugeführt. In einem Zustand, in dem die Temperatur der Brennstoffzelle niedrig ist und in dem die Menge an zugeführtem Reaktionsgas gering ist, wird die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle durch eine kleine Änderung beim Ausgangsstrom der Brennstoffzelle signifikant geändert. Selbst wenn angenommen wird, dass die Temperatur der Brennstoffzelle konstant ist, ist es notwendig, dass die Steuerung eines Betriebspunkts bei dem Aufwärmbetrieb mit hoher Genauigkeit ausgeführt wird.
  • Darüber hinaus werden die Eigenschaften der Brennstoffzelle, die durch eine Kombination des Ausgangsstroms und der Ausgangsspannung von der Brennstoffzelle angegeben werden, durch eine Temperaturänderung unter einer Niedrigtemperaturumgebung leicht geändert. Selbst wenn der Wert des Ausgangsstroms der gleiche ist, insbesondere wenn sich die Temperatur der Brennstoffzelle erhöht, wird die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle erhöht. Es ist somit erforderlich, dass die Steuerung des Betriebspunkts bei dem Aufwärmbetrieb zum Erhöhen der Temperatur der Brennstoffzelle präzise, beziehungsweise exakt gemäß der Temperatur der Brennstoffzelle ausgeführt wird.
  • Wenn die Steuerung des Betriebspunkts bei dem Aufwärmbetrieb nicht ausreichend präzise ist und der aktuelle Betriebspunkt der Brennstoffzelle somit von einem Zielbetriebspunkt verschoben wird, kann eine größere Menge an elektrischer Energie als die eingeplante Menge an elektrischer Energie von der Brennstoffzelle ausgegeben werden. In einem solchen Fall wird überschüssige elektrische Energie in einer Sekundärbatterie gespeichert. Unter einer Niedrigtemperaturumgebung wird die Leistung der Sekundärbatterie jedoch herabgesetzt. In anderen Worten ist eine Energie, für die es möglich ist in der Sekundärbatterie gespeichert zu werden, und eine Energie, für die es möglich ist davon entladen, beziehungsweise abgeführt zu werden, gering. Wenn der aktuelle Betriebspunkt der Brennstoffzelle von dem Zielbetriebspunkt verschoben wird, wird somit eine Energie in der Sekundärbatterie gespeichert, die höher als die Energie ist, die in der Lage ist gespeichert zu werden, und die Sekundärbatterie kann somit verschlechtert werden. Selbst wenn der Betriebspunkt der Brennstoffzelle verschoben wird und somit eine geringere Menge an elektrischer Energie als die eingeplante Menge an elektrischer Energie von der Brennstoffzelle ausgegeben wird, wird ebenfalls ein Befehl zum Entladen von Energie bereitgestellt, die höher als die Energie ist, die in der Lage ist entladen zu werden, mit der Folge, dass die Sekundärbatterie verschlechtert werden kann.
  • Die vorliegende Offenbarung ist in der Lage, wie die unteren Aspekte realisiert zu werden.
  • Zusammenfassung
  • (1) Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt. Das Brennstoffzellensystem umfasst: eine Brennstoffzelle; eine Reaktionsgaszuführungseinrichtung, die der Brennstoffzelle ein Brenngas und ein Oxidationsgas zuführt; einen ersten Wandler, der die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle umwandelt; eine Sekundärbatterie; eine Verbindungsleitung zum Verbinden des Ausgangsendes des ersten Wandlers und des Ausgangsendes der Sekundärbatterie parallel zu einer Last; und eine Steuerungseinrichtung, die das Brennstoffzellensystem steuert. Die Steuerungseinrichtung umfasst als Betriebsmodi des Brennstoffzellensystems einen ersten Betriebsmodus und einen zweiten Betriebsmodus. Der erste Betriebsmodus ist ein Betriebsmodus, in dem der erste Wandler mit einer Hochsetzbarkeit betrieben wird, die in der Lage ist von dem ersten Wandler realisiert zu werden, und der zweite Betriebsmodus ist ein Betriebsmodus, in dem der erste Wandler mit der maximalen Hochsetzbarkeit betrieben wird, die in der Lage ist von dem ersten Wandler realisiert zu werden, und in dem das zugeführte Reaktionsgas zum Steuern des Ausgangsstroms der Brennstoffzelle verwendet wird.
  • Bei dem oben beschriebenen Aspekt wird in dem zweiten Betriebsmodus die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle mit der maximalen Hochsetzbarkeit hochgesetzt, die in der Lage ist durch den ersten Wandler realisiert zu werden. Somit wird die Brennstoffzelle derart betrieben, dass die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle die niedrigste Spannung ist, die in der Lage ist für die Spannung in der Verbindungsleitung realisiert zu werden. Konsequenterweise wird die Brennstoffzelle mit dem Betriebszustand betrieben, der im Wesentlichen derart fixiert ist, dass die Brennstoffzelle in den Betriebszustand eintritt, der in der Lage ist die maximale Menge an Wärme zu erzeugen, die in der Lage ist von dem Brennstoffzellensystem zu der Zeit realisiert zu werden. Andererseits wird die Ausgabe der Brennstoffzelle durch die Steuerung der Menge an Strom unter Verwendung der Oxidationsgaszuführungseinrichtung gesteuert. Während der Aufwärmbetrieb in dem zweiten Betriebsmodus effektiv ausgeführt wird, ist es somit möglich ein Problem zu vermeiden, bei dem der Betriebspunkt, der eine Kombination der Ausgangsspannung und des Ausgangsstroms der Brennstoffzelle ist, signifikant von dem eingeplanten Betriebspunkt verschoben wird.
  • (2) Das Brennstoffzellensystem nach dem oben beschriebenen Aspekt kann ferner umfassen: Einen zweiten Wandler, der die Ausgangsspannung der Sekundärbatterie umwandelt, wobei die Verbindungsleitung über den zweiten Wandler an das Ausgangsende der Sekundärbatterie angeschlossen sein kann und in dem ersten Betriebsmodus und dem zweiten Betriebsmodus eine Spannung in der Verbindungsleitung mit dem zweiten Wandler gesteuert werden kann.
  • Bei dem oben beschriebenen Aspekt ist es möglich, die Energie bei der Spannung zuzuführen, die für die Last geeignet ist.
  • (3) Das Brennstoffzellensystem des oben beschriebenen Aspekts kann ferner umfassen: Eine Spannungserlangungseinrichtung, die die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle erlangt, und kann in dem zweiten Betriebsmodus, auf Grundlage der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle, die mit der Spannungserlangungseinrichtung erlangt wird, die Steuerungseinrichtung den zweiten Wandler derart verwenden, dass die Spannung in der Verbindungsleitung gesteuert wird.
  • Bei dem oben beschriebenen Aspekt wird die Spannung der Verbindungsleitung auf Grundlage der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle gesteuert und es ist somit möglich, eine Feedbacksteuerung, beziehungsweise Rückkopplungssteuerung derart auszuführen, dass die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle einen gewünschten Wert aufweist.
  • (4) Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems bereitgestellt, das Folgendes umfasst: Eine Brennstoffzelle, einen ersten Wandler, der die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle umwandelt, eine Sekundärbatterie und eine Verbindungsleitung zum Verbinden des Ausgangsendes des ersten Wandlers und des Ausgangsendes der Sekundärbatterie parallel zu einer Last. Das Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems umfasst: (a) einen Schritt des Steuerns des Brennstoffzellensystems in einem ersten Betriebsmodus; und (b) einen Schritt des Steuerns des Brennstoffzellensystems in einem zweiten Betriebsmodus, wenn eine vorbestimmte Bedingung erfüllt ist.
  • Der erste Betriebsmodus ist ein Betriebsmodus, in dem der erste Wandler mit einer Hochsetzbarkeit betrieben wird, die in der Lage ist von dem ersten Wandler realisiert zu werden. Der zweite Betriebsmodus ist ein Betriebsmodus, in dem der erste Wandler mit der maximalen Hochsetzbarkeit betrieben wird, die in der Lage ist von dem ersten Wandler realisiert zu werden, und in dem mindestens die Menge des Brenngases oder die Menge des Oxidationsgases, die der Brennstoffzelle zugeführt werden, derart angepasst wird, dass der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle gesteuert wird.
  • Bei dem oben genannten Aspekt wird in dem zweiten Betriebsmodus die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle mit der maximalen Hochsetzbarkeit hochgesetzt, die in der Lage ist von dem ersten Wandler realisiert zu werden. Somit kann die Brennstoffzelle derart betrieben werden, dass die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle die niedrigste Spannung ist, die in der Lage ist für die Spannung der Verbindungsleitung realisiert zu werden. Während die Ausgabe der Brennstoffzelle durch die Steuerung der Menge an Strom gesteuert wird, durch das Anpassen von mindestens der Menge an Brenngas oder der Menge an Oxidationsgas, kann die Brennstoffzelle konsequenterweise mit der niedrigsten Spannung betrieben werden, die in der Lage ist realisiert zu werden. Während der Aufwärmbetrieb effektiv in dem zweiten Betriebsmodus ausgeführt wird, ist es somit möglich, ein Problem zu vermeiden, bei dem der Betriebspunkt, der eine Kombination der Ausgangsspannung und des Ausgangsstroms der Brennstoffzelle ist, signifikant von dem eingeplanten Betriebspunkt verschoben wird.
  • (5) Bei dem Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems gemäß dem oben beschriebenen Aspekt kann das Brennstoffzellensystem ferner einen zweiten Wandler umfassen, der die Ausgangsspannung der Sekundärbatterie umwandelt, wobei die Verbindungsleitung durch den zweiten Wandler an das Ausgangsende der Sekundärbatterie angeschlossen sein kann und in dem ersten Betriebsmodus und dem zweiten Betriebsmodus eine Spannung in der Verbindungsleitung mit dem zweiten Wandler gesteuert werden kann. Bei dem oben beschriebenen Aspekt ist es möglich, die Energie bei der Spannung zuzuführen, die für die Last geeignet ist.
  • (6) Bei dem Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems gemäß dem oben beschriebenen Aspekt kann in dem zweiten Betriebsmodus, auf Grundlage der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle, der zweite Wandler verwendet werden, so dass die Spannung in der Verbindungsleitung gesteuert wird.
  • Bei dem oben beschriebenen Aspekt wird die Spannung in der Verbindungsleitung auf Grundlage der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle gesteuert, und es ist somit möglich eine Feedbacksteuerung, beziehungsweise Rückkopplungssteuerung derart auszuführen, dass die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle einen gewünschten Wert aufweist.
  • Die vorliegende Offenbarung kann in unterschiedlichen Aspekten realisiert werden, die sich von dem Brennstoffzellensystem und dem Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems unterscheiden. Beispielsweise ist es möglich Aspekte zu realisieren, wie beispielsweise ein Brennstoffzellenfahrzeug und ein Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellenfahrzeugs, Computerprogramme, die die oben beschriebenen Steuerungsverfahren realisieren und ein nichtflüchtiges Aufzeichnungsmedium, das die Computerprogramme aufzeichnet.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt ein Brennstoffzellenfahrzeug 10 auf welches das Brennstoffzellensystem 100 eines ersten Ausführungsbeispiels montiert ist;
    • 2 zeigt ein Blockdiagramm, das die detaillierte Konfiguration eines FC-Wandlers 150 zeigt;
    • 3 zeigt einen Graphen, der den Strom IL einer Drosselspule L1 zeigt;
    • 4 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Steuern des Brennstoffzellensystems 100 mit einer Steuerungseinrichtung zeigt; und
    • 5 zeigt ein veranschaulichendes Diagramm, das die Strom-Spannungs-Kennlinie einer Brennstoffzelle 101 zeigt.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Ausführungsbeispiel
  • A1. Konfiguration des Brennstoffzellenfahrzeugs 10:
  • 1 zeigt ein Brennstoffzellenfahrzeug 10 (Brennstoffzellenhybridfahrzeug, hier im Folgenden ebenfalls als FCHV 10 bezeichnet), auf welches das Brennstoffzellensystem 100 eines ersten Ausführungsbeispiels montiert ist. Das Brennstoffzellenfahrzeug 10 umfasst das Brennstoffzellensystem 100, eine Last 130, einen Inverter 140, eine Steuerungsvorrichtung 160 und eine Sensorgruppe 170. Das Brennstoffzellenfahrzeug 10 wird hauptsächlich mit einer Energie angetrieben, die von dem Brennstoffzellensystem 100 zur Verfügung gestellt wird.
  • Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst eine Brennstoffzelle 101, eine Oxidationsgaszuführungseinrichtung 103, eine Brenngaszuführungseinrichtung 105, eine Kühlwasserkreislaufeinrichtung 107, eine Sekundärbatterie 120, einen FC-Wandler 150 und einen Batteriewandler 180.
  • Die Brennstoffzelle 101 empfängt die Zuführung von Wasserstoffgas, das als ein Brenngas fungiert, und von Luft, die als ein Oxidationsgas fungiert, erzeugt Strom und liefert den Strom nach außen (siehe einen linken Abschnitt der oberen Reihe aus 1). Die Brennstoffzelle 101 ist eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, die einen Zellstapel umfasst, der durch Stapeln einer Vielzahl von Stromerzeugungszellen in Schichten konfiguriert ist. In 1 ist die Brennstoffzelle 101 durch „FC 101“ dargestellt.
  • Die Oxidationsgaszuführungseinrichtung 103 führt die als das Oxidationsgas fungierende Luft der Brennstoffzelle 101 zu (siehe den linken Abschnitt der oberen Reihe aus 1). Die Oxidationsgaszuführungseinrichtung 103 umfasst einen Kompressor. Die Oxidationsgaszuführungseinrichtung 103 nimmt die Luft um das Brennstoffzellenfahrzeug 10 herum auf, komprimiert, beziehungsweise verdichtet die Luft und führt sie der Brennstoffzelle 101 zu. In 1 ist die Oxidationsgaszuführungseinrichtung 103 durch „OGS 103“ dargestellt.
  • Die Brenngaszuführungseinrichtung 105 führt das als das Brenngas fungierende Wasserstoffgas der Brennstoffzelle 101 zu (siehe den linken Abschnitt der oberen Reihe aus 1). Die Brenngaszuführungseinrichtung 105 umfasst einen Wasserstoffgastank, der Hochdruckwasserstoffgas speichert. Die Brenngaszuführungseinrichtung 105 dekomprimiert das Wasserstoffgas in dem Wasserstofftank und führt es der Brennstoffzelle 101 zu. In 1 ist die Brenngaszuführungseinrichtung 105 durch „FGS 105“ dargestellt.
  • Die Kühlwasserkreislaufeinrichtung 107 zirkuliert Kühlwasser zum Steuern, beziehungsweise Regeln der Temperatur der Brennstoffzelle 101 zwischen der Kühlwasserkreislaufeinrichtung 107 und der Brennstoffzelle 101 (siehe den linken Abschnitt der oberen Reihe aus 1). Die Kühlwasserkreislaufeinrichtung 107 umfasst einen Wärmetauscher. Die Kühlwasserkreislaufeinrichtung 107 kühlt das Kühlwasser, das von der Brennstoffzelle 101 mit dem Wärmetauscher weggeführt wird, und führt es wieder der Brennstoffzelle 101 zu. In 1 ist die Kühlwasserkreislaufeinrichtung 107 durch „CWC 107“ dargestellt.
  • Die Sekundärbatterie 120 ist in der Lage die zugeführte Energie zu empfangen und sie anzusammeln und die Energie nach außen weiterzuführen (siehe einen rechten Abschnitt der mittleren Reihe aus 1). Insbesondere ist die Sekundärbatterie 120 eine Lithiumionenzelle. In 1 ist die Sekundärbatterie 120 durch „BAT 120“ dargestellt.
  • Der FC-Wandler 150 ist zwischen der Brennstoffzelle 101 und dem Inverter 140 angeordnet (siehe einen mittleren Abschnitt der oberen Reihe aus 1). Der FC-Wandler 150 empfängt die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 101, wandelt die Ausgangsspannung davon in eine höhere Spannung um und führt sie dem Inverter 140 zu. Der FC-Wandler 150 ist ein Vierphasenparallelwandler, der mit einer U-Phase 151, einer V-Phase 152, einer W-Phase 153 und einer X-Phase 154 konfiguriert ist, die zueinander parallel geschalten sind. Die detaillierte Konfiguration und der Betrieb des FC-Wandlers 150 ist später im Detail beschrieben. In 1 sind die U-Phase 151, die V-Phase 152, die W-Phase 153 und die X-Phase 154 jeweils durch „FC-CNV-U 151“, „FC-CNV-V 152“, „FC-CNV-W 153“ und „FC-CNV-X 154“ dargestellt.
  • Der Batteriewandler 180 ist zwischen der Sekundärbatterie 120 und dem Inverter 140 angeordnet (siehe einen rechten Abschnitt der oberen Reihe aus 1). Der Batteriewandler 180 empfängt die Ausgangsleistung der Sekundärbatterie 120, setzt die Ausgangsspannung der Sekundärbatterie 120 nach oben oder nach unten, beziehungsweise herauf oder herab und führt sie dem Inverter 140 zu. Der Batteriewandler 180 empfängt eine Ausgangsleistung von dem Inverter 140, setzt die Ausgangsleistung des Inverters 140 herauf oder herunter, beziehungsweise hoch oder runter und führt sie der Sekundärbatterie 120 zu. In 1 ist der Batteriewandler 180 durch „BAT-CNV 180“ dargestellt.
  • Der FC-Wandler 150 und die Brennstoffzelle 101 und der Batteriewandler 150 und die Sekundärbatterie 120 sind in Bezug auf den Inverter 140 parallel geschalten. Eine Verbindungsleitung zum Verbinden des Ausgangsendes des FC-Wandlers 150 und des Ausgangsendes der Sekundärbatterie 120 parallel zu der Last 130 ist als die Verbindungsleitung CL angezeigt.
  • Bei der vorliegenden Spezifikation umfasst der Ausdruck der „Verbindungsleitung, die A mit B verbindet“: eine Konfiguration, bei der A und B direkt mit der Verbindungsleitung verbunden sind; und eine Konfiguration, bei der A und B mit der Verbindungsleitung und einem anderen Komponentenelement, beziehungsweise Bestandsteilelement verbunden sind.
  • Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Ausgangsende des FC-Wandlers 150 durch die Verbindungsleitung CL und den Inverter 140 an die Last 130 angeschlossen. Das Ausgangsende der Sekundärbatterie 120 ist durch den Batteriewandler 180, die Verbindungsleitung CL und den Inverter 140 an die Last 130 angeschlossen.
  • Die Last 130 gibt alle Vorrichtungen in dem Brennstoffzellenfahrzeug 10 an, die die Stromversorgung, beziehungsweise Energieversorgung von der Brennstoffzelle 101 und der Sekundärbatterie 120 für einen Betrieb empfangen (siehe rechten Abschnitt der oberen Reihe aus 1). In 1 ist als ein Beispiel der Last ein Traktionsmotor 131 gezeigt. Der Traktionsmotor 131 empfängt die Energiezuführung von dem Inverter 140, beziehungsweise wird von dem Inverter 140 mit Energie versorgt und gibt eine Rotationskraft aus. Die Rotationskraft des Traktionsmotors 131 wird durch ein Differentialgetriebe 132 an einen Reifen 133 übertragen, um das Brennstoffzellenfahrzeug 10 zu bewegen.
  • Wenn das Brennstoffzellenfahrzeug 10 abgebremst wird, fungiert der Traktionsmotor 131 als ein Stromerzeuger und führt dem Inverter 140 regenerative Energie zu, beziehungsweise versorgt den Inverter 140 mit regenerativer Energie. Die regenerative Energie wird durch den Inverter 140 und den Batteriewandler 180 zu der Sekundärbatterie 120 zugeführt und wird in der Sekundärbatterie 120 gespeichert.
  • Der Inverter 140 wandelt die Direktstrom-Energie, die von der Brennstoffzelle 101 oder der Sekundärbatterie 120 zugeführt wird, beziehungsweise geliefert wird, in dreiphasige Wechselstrom-Energie um und führt sie dem Traktionsmotor 131 zu (siehe den rechten Abschnitt der oberen Reihe aus 1). Der Inverter 140 ist ein PWM-Inverter, der mit einer Pulsbreitenmodulation angetrieben wird. In 1 ist der Inverter 140 durch „INV 140“ dargestellt.
  • Die Sensorgruppe 170 gibt Sensoren an, die an Vorrichtungen angebracht sind, die das Brennstoffzellenfahrzeug 10 konfigurieren (siehe einen rechten Abschnitt der unteren Reihe aus 1). Von den Sensoren der Sensorgruppe 170 wird beispielsweise Folgendes zu der Steuerungsvorrichtung 160 zugeführt: Ein Signal, das eine Beschleunigeröffnung angibt, ein Signal, das eine Fahrzeuggeschwindigkeit angibt, ein Signal, das den Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 101 angibt, ein Signal, das die Ausgangsklemmspannung der Brennstoffzelle 101 angibt und dergleichen. In 1 ist die Sensorgruppe 170 durch „SS 170“ dargestellt. Als ein Beispiel für die Sensorgruppe 170 ist Folgendes angezeigt: Ein Spannungssensor VS1, der die Ausgangsklemmspannung Vfc der Brennstoffzelle 101 misst, ein Spannungssensor VS2, der die Ausgangsklemmspannung Vh des Batteriewandlers 180 misst und ein Temperatursensor TS, der die Temperatur tw des Kühlwassers in der Brennstoffzelle 101 misst (siehe den linken Abschnitt der unteren Reihe und den rechten Abschnitt der oberen Reihe aus 1).
  • Die Steuerungsvorrichtung 160 ist ein Computersystem, das eine CPU (zentrale Verarbeitungseinheit), die als ein Prozessor fungiert, einen RAM (Random Access Memory) und einen ROM (Read Only Memory) umfasst (siehe einen zentralen Abschnitt der unteren Reihe aus 1). Die Steuerungsvorrichtung 160 steuert das Brennstoffzellenfahrzeug 10.
  • Beispielsweise auf Grundlage von unterschiedlichen Arten von Signalen, die von der Sensorgruppe 170 zugeführt werden, berechnet die Steuerungsvorrichtung 160 die erforderliche Leistung der Last 130, das heißt, eine Leistung, die der Last 130 notwendigerweise von dem Brennstoffzellensystem 100 zuzuführen ist, beziehungsweise eine Leistung, mit der das Brennstoffzellensystem 100 die Last 130 notwendigerweise versorgt. Die Steuerungsvorrichtung 160 bestimmt die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 101 und die Ausgangsleistung der Sekundärbatterie 120 bei der Leistung, die von dem Brennstoffzellensystem 100 zugeführt werden muss. Die Steuerungsvorrichtung 160 steuert den FC-Wandler 150 und den Batteriewandler 180 derart, dass die Brennstoffzelle 101 und die Sekundärbatterie 120 in der Lage sind die bestimmte Leistung zu liefern. Die Steuerungsvorrichtung 160 gibt einen Befehlswert an den Inverter 140 aus und steuert dadurch das Ausgabedrehmoment und die Anzahl von Umdrehungen des Traktionsmotors 131, so dass ein Zieldrehmoment erhalten wird, das der Beschleunigeröffnung entspricht, die von einem Beschleunigeröffnungssensor erlangt wird, der in der Sensorgruppe 170 umfasst ist.
  • In 1 ist die Steuerungsvorrichtung 160 durch „CRL 160“ dargestellt. Bei der Steuerungsvorrichtung 160 ist ein Funktionsabschnitt, der das Brennstoffzellensystem 100 des Brennstoffzellenfahrzeugs 10 steuert, in 1 als eine „Steuerungseinrichtung 162“ gezeigt.
  • Die Steuerungseinrichtung 162 umfasst, als die Betriebsmodi des Brennstoffzellensystems 100, einen ersten Betriebsmodus DM1 und einen zweiten Betriebsmodus DM2. Der erste Betriebsmodus DM1 entspricht einem Normalbetrieb. Der zweite Betriebsmodus DM2 entspricht einem Aufwärmbetrieb. Der Normalbetrieb und der Aufwärmbetrieb sind später beschrieben.
  • A2. Konfiguration und Betrieb eines FC-Wandlers:
  • 2 zeigt ein Blockdiagramm, das die detaillierte Konfiguration des FC-Wandlers 150 zeigt. In der folgenden Beschreibung ist die U-Phase 151 aus den Schaltkreisen der U-Phase 151, der V-Phase 152, der W-Phase 153 und der X-Phase 154, die in dem FC-Wandler 150 umfasst sind, als ein Beispiel verwendet.
  • Die U-Phase 151 umfasst eine Drosselspule L1, eine Gleichrichterdiode D1 und ein Schaltelement SW1.
  • Die Drosselspule L1 ist an die Leistungsversorgungsleitung CL1 der Brennstoffzelle 101 angeschlossen. Die Gleichrichterdiode D1 ist in Reihe an die Drosselspule L1 angeschlossen. Die Leistungsversorgungsleitung CL1 der Brennstoffzelle 101 ist durch die Drosselspule L1 und die Gleichrichterdiode D1 an den Inverter 140 angeschlossen. Andererseits ist die Masseleitung, beziehungsweise Nullleitung CL2 der Brennstoffzelle 101 an den Inverter 140 angeschlossen. Die Leistungsversorgungsleitung CL1 der Brennstoffzelle 101 und die Masseleitung CL2 der Brennstoffzelle 101 werden kollektiv als die „Verbindungsleitung CL“ bezeichnet (siehe den rechten Abschnitt der unteren Reihe aus 1).
  • Das Schaltelement SW1 ist ein Schaltelement, das einen IGBT umfasst (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode; in Englisch Insulated Gate Bipolar Transistor). Der Kollektor des Schaltelements SW ist an die Leistungsversorgungsleitung CL1 der Brennstoffzelle 101 zwischen der Drosselspule L1 und der Diode D1 angeschlossen. Der Emitter des Schaltelements SW1 ist an die Masseleitung CL2 der Brennstoffzelle 101 angeschlossen.
  • Die Schaltkreise der V-Phase 152, der W-Phase 153 und der X-Phase 154, die in dem FC-Wandler 150 umfasst sind, weisen die gleiche Konfiguration wie die U-Phase 151 auf. In 2 sind Drosselspulen L2 bis L4, Dioden D2 bis D4 und Schaltelemente SW2 bis SW4 gezeigt, die in den Schaltkreisen der V-Phase 152, der W-Phase 153 und der X-Phase 154 umfasst sind.
  • Der FC-Wandler 150 umfasst ferner einen Kondensator C0. Ein Ende des Kondensators C0 ist an die Leistungsversorgungsleitung CL1 der Brennstoffzelle 101 zwischen den Schaltkreisen der U-Phase 151, der V-Phase 152, der W-Phase 153 und der X-Phase 154, die zueinander parallel geschalten sind, und dem Inverter 140 angeschlossen. Das andere Ende des Kondensators C0 ist an die Masseleitung CL2 der Brennstoffzelle 101 angeschlossen.
  • Wenn beispielsweise in der U-Phase 151 das Schaltelement SW1 eingeschaltet wird, fließt ein Strom von der Brennstoffzelle 101 durch die Drosselspule L1 zu dem Schaltelement SW1. Hierbei wird die Drosselspule L1 angeregt und die magnetische Energie wird somit angesammelt.
  • Wenn das Schaltelement SW1 danach ausgeschaltet wird, wird in der Leistungsversorgungsleitung CL1 eine induzierte Spannung, die durch die in der Drosselspule L1 angesammelten magnetischen Energie verursacht wird, auf die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 101 überlagert. Weil das Schaltelement SW1 ausgeschalten ist, fließt der Strom dann durch die Diode D1 zu dem Inverter 140.
  • 3 zeigt einen Graphen, der den Strom IL der Drosselspule L1 zeigt. Die Steuerungseinrichtung 162 steuert, beziehungsweise regelt wiederholt das Schaltelement SW1 in regelmäßigen Intervallen, so dass der Gesamtwert einer Zeitperiode Ton, beziehungsweise Tan, in der das Schaltelement SW1 an ist, und eine Zeitperiode Toff, beziehungsweise Taus, in der das Schaltelement SW1 aus ist, konstant ist (siehe die untere Reihe aus 3). In der folgenden Beschreibung ist zum leichteren Verständnis der Technologie angenommen, dass die Schaltkreise der V-Phase 152, der W-Phase 153 und der X-Phase 154 von der Leistungsversorgungsleitung CL1 separiert, beziehungsweise getrennt sind.
  • Wenn das Schaltelement SW1 an ist, fließt der Strom von der Drosselspule L1 in der Leistungsversorgungsleitung CL1 durch das Schaltelement SW1 in Richtung der Masseleitung CL2 (siehe die obere Reihe aus 2). Der Widerstand dieses Wegs ist im Wesentlichen null. Hier wird der Strom IL, der durch die Drosselspule L1 fließt, linear erhöht. Wenn die Induktion der Drosselspule L1 als L angenommen wird, ist der Gradient des Stroms IL, der durch die Drosselspule L1 fließt, Vfc/L.
  • Wenn das Schaltelement SW1 aus ist, fließt der Strom von der Drosselspule L1 in der Leistungsversorgungsleitung CL1 durch die Diode D1 in Richtung des Inverters 140 (siehe die obere Reihe aus 2). Weil das Schaltelement SW1 aus ist, sind die Leistungsversorgungsleitung CL1 und die Masseleitung CL2 voneinander separiert, beziehungsweise getrennt. Hier wird der Strom IL, der durch die Drosselspule L1 fließt, linear erniedrigt. Wenn die Spannung des Inverters 140 auf einer Eingangsseite, das heißt, die Ausgangsspannung des FC-Wandlers 150 als Vh angenommen wird, ist der Gradient des Stroms IL, der durch die Drosselspule L1 fließt, - (Vh - Vfc)/L. Die Ausgangsspannung Vh des FC-Wandlers 150 ist die Ausgangsspannung des Batteriewandlers 180, der parallel zu dem FC-Wandler 150 in Bezug zu dem Inverter 140 geschaltet ist (siehe den rechten Abschnitt der oberen Reihe aus 1). Die Ausgangsspannung des FC-Wandlers 150, das heißt, die Ausgangsspannung des Batteriewandlers 180 wird durch den Batteriewandler 180 gesteuert.
  • Die Steuerungseinrichtung 162 ist in der Lage die Ausgangsspannung des FC-Wandlers 150 durch Betreiben der relativen Einschaltdauer des an/aus des Schaltelements SW1 zu steuern (siehe den zentralen Abschnitt der unteren Reihe aus 1). Die „relative Einschaltdauer“ bezeichnet ein Verhältnis der Ton zu dem Gesamtwert von der Ton und der Toff, das heißt, der Länge eines Intervalls (siehe die untere Reihe aus 3). Je länger Ton ist, das heißt, je länger die relative Einschaltdauer ist, wird die Ausgangsklemmspannung Vfc der Brennstoffzelle 101 in eine höhere Spannung umgewandelt. Eine Hochsetzbarkeit, die in der Lage ist durch den FC-Wandler 150 realisiert zu werden, wird durch die Größenordnung der relativen Einschaltdauer bestimmt, die in der Lage ist durch den FC-Wandler 150 realisiert zu werden. Die Hochsetzbarkeit, die in der Lage ist durch den FC-Wandler 150 realisiert zu werden, wird im Vorfeld gemäß der Konfiguration des FC-Wandlers 150 bestimmt.
  • Die Steuerungseinrichtung 162 ist gleichermaßen in der Lage die Schaltelemente SW2 bis SW4 der V-Phase 152, der W-Phase 153 und der X-Phase 154 zu steuern. Konsequenterweise ist die Steuerungseinrichtung 162 in der Lage die Ausgangsspannung Vfc in dem FC-Wandler 150 zu steuern, durch Steuern des FC-Wandlers 150 zusätzlich zum Steuern der Ausgangsspannung des Batteriewandlers 180, das heißt, der Ausgangsspannung des FC-Wandlers 150 unter Verwendung des Batteriewandlers 180.
  • A3. Steuerung eines Brennstoffzellensystems mit einer Steuerungseinrichtung:
  • 4 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Steuern, beziehungsweise Regeln des Brennstoffzellensystems 100 mit der Steuerungseinrichtung zeigt. Die Verarbeitung aus 4 wird mit der Steuerungseinrichtung 162 der Steuerungsvorrichtung 160 durchgeführt, wenn das Brennstoffzellensystem 100 gestartet wird. In einem Zustand, in dem das Brennstoffzellenfahrzeug 10 ausgeschalten ist, bringt ein Druck des An/Aus-Schalters des Brennstoffzellenfahrzeugs 10 durch einen Benutzer das Brennstoffzellenfahrzeug 10 zum Starten.
  • In Schritt S100 bestimmt die Steuerungseinrichtung 162, ob die Temperatur tw der Brennstoffzelle 101 gleich oder niedriger als ein vorbestimmter erster Grenzwert ist. Die Temperatur tw des Kühlwassers zum Steuern, beziehungsweise Regeln der Temperatur der Brennstoffzelle wird als die Temperatur tw der Brennstoffzelle 101 hergenommen (siehe den linken Abschnitt der unteren Reihe aus 1). Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der erste Grenzwert 0°C. Wenn die Temperatur tw der Brennstoffzelle 101 gleich oder niedriger als der erste Grenzwert ist, geht die Verarbeitung zu Schritt S200 über. Wenn die Temperatur tw der Brennstoffzelle 101 größer als der erste Grenzwert ist, geht die Verarbeitung zu Schritt S400 über.
  • In Schritt S200 startet die Steuerungseinrichtung 162 den Aufwärmbetrieb der Brennstoffzelle 101. In der Situation, in der eine bestimmte Menge an Reaktionsgas bei einer bestimmten Temperatur zugeführt wird, ist die Strom-Spannungs-Kennlinie der Brennstoffzelle 101 wie folgt: Wenn der Strom steigt, fällt die Spannung; und wenn der Strom fällt, steigt die Spannung. Bei dem Aufwärmbetrieb wird die Brennstoffzelle 101 an einem Betriebspunkt betrieben, an dem der Strom hoch und die Spannung niedrig ist. Dann wird das Brennstoffzellensystem 100 derart gesteuert, dass die Sekundärbatterie 120 soweit wie möglich davon abgehalten wird geladen und entladen zu werden.
  • Insbesondere wird der FC-Wandler 150 bei dem Aufwärmbetrieb mit der maximalen Hochsetzbarkeit betrieben, die in der Lage ist durch den FC-Wandler 150 realisiert zu werden (siehe einen zentralen Abschnitt aus 1). Auf Grundlage der Ausgangsspannung Vfc der Brennstoffzelle 101, die mit dem Spannungssensor VS1 erlangt wird, wird die Spannung Vh unter Verwendung des Batteriewandlers 180 in der Verbindungsleitung CL gesteuert (siehe den linken Abschnitt der oberen Reihe aus 1). Der Aufwärmbetrieb der Brennstoffzelle 101 ist später im Detail beschrieben.
  • In Schritt S300 bestimmt die Steuerungseinrichtung 162, ob die Temperatur tw der Brennstoffzelle 101 gleich oder größer als ein vorbestimmter zweiter Grenzwert ist oder nicht. Der zweite Grenzwert ist eine Temperatur, die höher als der erste Grenzwert ist. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt der zweite Grenzwert 50°C. Wenn die Temperatur tw der Brennstoffzelle 101 gleich oder größer als der zweite Grenzwert ist, geht die Verarbeitung zu Schritt S400 über.
  • Andererseits, wenn in Schritt S300 die Temperatur tw der Brennstoffzelle 101 weniger als der zweite Grenzwert beträgt, geht die Verarbeitung zurück auf Schritt S300 über. In Schritt S300 wird die Verarbeitung in regelmäßigen Zeitintervallen wiederholt. In der Zwischenzeit wird die Brennstoffzelle 101 mit der Steuerungseinrichtung 162 in dem Aufwärmbetrieb betrieben. In 4 ist eine Periode, in der der Aufwärmbetrieb als der zweite Betriebsmodus DM2 ausgeführt wird, an einem linken Ende gezeigt.
  • In Schritt S400 startet die Steuerungseinrichtung 162 den Normalbetrieb der Brennstoffzelle 101. Insbesondere berechnet die Steuerungseinrichtung 162 bei dem Normalbetrieb der Brennstoffzelle 101 eine Leistung, die von dem Brennstoffzellensystem 100 zu der Last 130 zugeführt werden muss, beziehungsweise mit der das Brennstoffzellensystem 100 die Last 130 versorgen muss, gemäß einem durch den Nutzer durch ein Beschleunigungspedal angegebenes Ausgabeerfordernis und einer Ausgabe, die zu den Lasten zugeführt werden muss, die sich von dem Traktionsmotor 131 unterscheiden. Die Steuerungseinrichtung 162 bestimmt dann die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 101 und die Ausgangsleistung der Sekundärbatterie 120 bei der Leistung, die von dem Brennstoffzellensystem 100 bereitgestellt werden muss. Die Steuerungseinrichtung 162 steuert den FC-Wandler 150 und den Batteriewandler 180 derart, dass die Brennstoffzelle 101 und die Sekundärbatterie 120 in der Lage sind die bestimmte Leistung zu liefern.
  • In dem Normalbetrieb wird der FC-Wandler 150 mit unterschiedlichen Hochsetzbarkeiten betrieben, die in der Lage sind von dem FC-Wandler 150 realisiert zu werden (siehe den zentralen Abschnitt von 1 und 3). Insbesondere wird der FC-Wandler 150 mit unterschiedlichen Hochsetzbarkeiten betrieben, die Hochsetzbarkeiten umfassen, die niedriger als die Hochsetzbarkeit des FC-Wandlers 150 in dem Aufwärmbetrieb sind (siehe den zentralen Abschnitt aus 1 und 3). Konsequenterweise ist die Ausgangsspannung Vfc der Brennstoffzelle 101 in der Lage unterschiedliche Werte anzunehmen, die Werte umfassen, die größer als in dem Fall des Aufwärmbetriebs sind.
  • In Schritt S500 bestimmt die Steuerungseinrichtung 162, ob die Abschlussbedingungen des Betriebs der Brennstoffzelle 101 erfüllt sind oder nicht. Die Abschlussbedingungen des Betriebs der Brennstoffzelle 101 umfassen eine Bedingung, dass der An/Aus-Schalter des Brennstoffzellenfahrzeugs 10 gedrückt ist, wenn das Brennstoffzellenfahrzeug 10 an ist. In Schritt S500, wenn die Abschlussbedingungen des Betriebs der Brennstoffzelle 101 erfüllt sind, ist die Verarbeitung abgeschlossen.
  • Wenn andererseits in Schritt S500 die Abschlussbedingungen des Betriebs der Brennstoffzelle 101 nicht erfüllt sind, kehrt die Verarbeitung zu Schritt S500 zurück. In Schritt S500 wird die Verarbeitung in regelmäßigen Zeitintervallen wiederholt. In der Zwischenzeit wird die Brennstoffzelle 101 mit der Steuerungseinrichtung 162 in dem Normalbetrieb betrieben. In 4 ist eine Periode, in der der Normalbetrieb als der erste Operationsbetrieb DM1 ausgeführt wird, an dem linken Ende gezeigt.
  • A4. Steuerung des Brennstoffzellensystems in einem Aufwärmbetrieb:
  • 5 zeigt ein veranschaulichendes Diagramm, das die Strom-Spannungs-Kennlinie einer Brennstoffzelle 101 zeigt. Eine Kurve IV1 gibt eine Strom-Spannungs-Kennlinie in dem Normalbetrieb an. Eine Kurve IV2 gibt eine Strom-Spannungs-Kennlinie in dem Aufwärmbetrieb an.
  • In dem Normalbetrieb betreibt die Einstellungseinrichtung 161 die Brennstoffzelle 101 an einem Betriebspunkt auf der Kurve IV1. Als ein Beispiel des Betriebspunkts auf der Kurve IV1 wird ein Betriebspunkt A angenommen. Ein Strom an dem Betriebspunkt A wird als I1 angenommen. Eine Spannung an dem Betriebspunkt A wird als V1 angenommen. An dem Betriebspunkt A ist eine aus Wasserstoff gewonnene Energie [VH x I1]. VH repräsentiert eine theoretische elektromotorische Kraft in einem Zustand, in dem keine Last an die Brennstoffzelle angeschlossen ist und wird von einer Verbrennungsenthalpie von Wasserstoff berechnet, das heißt, [ΔH = - 286 kj/mol]. Insbesondere wird VH durch Teilen der Verbrennungsenthalpie durch die Faraday-Konstante und die Anzahl von Reaktionselektronen (bei dieser Reaktion „2“) berechnet. VH ist normalerweise ein Wert, der über einer OCV liegt, die eine Leerlaufspannung ist.
  • An dem Betriebspunkt A ist [VI x I1], das einem Abschnitt unterhalb des Betriebspunkts A in 5 entspricht, in der Energie [VH x IV], die aus Wasserstoff gewonnen wird, elektrische Energie. [(VH - V1) x I1], das einem Abschnitt entspricht, der höher als der Betriebspunkt A liegt, ist thermische Energie. In dem Aufwärmbetrieb betreibt die Steuerungseinrichtung 162 die Brennstoffzelle 101 an dem Betriebspunkt der Kurve IV2. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird als der Betriebspunkt auf der Kurve IV2, an dem der Aufwärmbetrieb durchgeführt wird, ein Betriebspunkt B angenommen. Als ein Strom an dem Betriebspunkt B wird I2 angenommen. Als eine Spannung an dem Betriebspunkt B wird V2 angenommen. An dem Betriebspunkt B ist eine aus dem Wasserstoff gewonnene Energie [VH x I2].
  • An dem Betriebspunkt B ist [Q1 = V2 x 12], das einem Abschnitt unterhalb des Betriebspunkts B in 5 entspricht, beziehungsweise das einem Abschnitt entspricht, der niedriger als der Betriebspunkt B aus 5 ist, in der Energie [VH x 12], die aus dem Wasserstoff gewonnen wird, elektrische Energie. [Q0 = (VH - V2) x 12], das einem Abschnitt entspricht, der höher als der Betriebspunkt B liegt, ist eine thermische Energie.
  • In dem Normalbetrieb betreibt die Steuerungseinrichtung 162 die Brennstoffzelle 101 an unterschiedlichen Betriebspunkten auf der Kurve IV1 (siehe den DM1 aus 4). Somit wird der FC-Wandler 150 in dem Normalbetrieb mit unterschiedlichen Hochsetzbarkeiten betrieben, die in der Lage sind durch den FC-Wandler 150 realisiert zu werden. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Hochsetzbarkeiten, die in der Lage sind durch den FC-Wandler 150 realisiert zu werden, Hochsetzbarkeiten bei einer relativen Einschaltdauer von 5 bis 95% (siehe die untere Reihe aus 3).
  • Bei dem Aufwärmbetrieb wird die Steuerungseinrichtung 162 an einem Betriebspunkt betrieben, an dem der Anteil von ausgegebener thermischer Energie der höchste in einem Bereich ist, der in der Lage ist realisiert zu werden.
  • Das heißt, die Steuerungseinrichtung 162 wird an einem Betriebspunkt betrieben, der einen hohen Strom und eine niedrige Spannung aufweist (siehe den DM2 aus 4). Somit wird der FC-Wandler 150 in dem Aufwärmbetrieb mit der maximalen Hochsetzbarkeit betrieben, die in der Lage ist durch den FC-Wandler 150 realisiert zu werden. Die maximale Hochsetzbarkeit, die in der Lage ist durch den FC-Wandler 150 realisiert werden, ist die maximale Hochsetzbarkeit, bei der der Hersteller des FC-Wandlers 150 seinen Betrieb garantiert. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die maximale Hochsetzbarkeit, die in der Lage ist durch den FC-Wandler 150 realisiert zu werden, eine Hochsetzbarkeit bei einer relativen Einschaltdauer von 95% (siehe die untere Reihe aus 3). Der Betrieb des FC-Wandlers 150 mit der maximalen Hochsetzbarkeit, die in der Lage ist durch den FC-Wandler 150 realisiert zu werden, wird folgendermaßen realisiert.
  • Die Steuerungseinrichtung 162 (siehe den mittleren Abschnitt der unteren Reihe aus 1) verwendet den Batteriewandler 180, so dass die Spannung Vh in der Verbindungsleitung CL gesteuert wird (siehe den rechten Abschnitt der oberen Reihe aus 1). Die Ausgangsspannung des Batteriewandlers 180 wird durch die Steuerungseinrichtung 162 derart gesteuert, um eine Spannung zu sein, die für die Last 130 geeignet ist.
  • In dem Aufwärmbetrieb steuert die Steuerungseinrichtung 162 die Brenngaszuführungseinrichtung 105, so dass der Brennstoffzelle 101 eine ausreichende Menge an Wasserstoffgas zugeführt wird, beziehungsweise dass die Brennstoffzelle 101 mit einer ausreichenden Menge an Wasserstoffgas versorgt wird (siehe den linken Abschnitt der oberen Reihe aus 1). Andererseits steuert die Steuerungseinheit 162 die Oxidationsgaszuführungseinrichtung 103, um Luft, die die Menge an Sauerstoff umfasst, die nicht ausreichend ist, für eine Reaktion mit der Menge an Wasserstoff zuzuführen. Durch die Menge an Sauerstoff, der in der Luft enthalten ist, die mit der Oxidationsgaszuführungseinrichtung 103 pro Einheitszeit zu der Brennstoffzelle 101 zugeführt wird, wird die Menge an Elektronen, die pro Einheitszeit aus der Brennstoffzelle 101 herausfließen, somit bestimmt.
  • Konsequenterweise steuert die Steuerungseinrichtung 162 den Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 101 durch Steuern der Oxidationsgaszuführungseinrichtung 103. In anderen Worten steuert die Steuerungseinrichtung 162 in dem Aufwärmbetrieb den Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 101 unter Verwendung der Oxidationsgaszuführungseinrichtung 103 (siehe den linken Abschnitt der oberen Reihe aus 1).
  • Die Steuerungseinrichtung 162 instruiert den, beziehungsweise befiehlt dem FC-Wandler 150 von der Brennstoffzelle 101 einen großen Stromwert auszugeben, der durch die Temperatur und die Menge an zu diesem Zeitpunkt zugeführten Oxidationsgas nicht in der Lage ist realisiert zu werden.
  • In dieser Situation, in der eine bestimmte Menge an Reaktionsgas bei einer bestimmten Temperatur zugeführt wird, ist die Strom-Spannungs-Kennlinie der Brennstoffzelle 101 wie folgt: Wenn der Strom steigt, fällt die Spannung; und wenn der Strom fällt, steigt die Spannung (siehe die IV2 aus 5). Der FC-Wandler 150, der die Instruktion, beziehungsweise den Befehl für den großen Stromwert empfängt, der nicht in der Lage ist realisiert zu werden, arbeitet somit mit der maximalen Hochsetzbarkeit, die in der Lage ist durch den FC-Wandler 150 realisiert zu werden. Demnach wird die Brennstoffzelle 101 bei der niedrigsten Spannung Vfc betrieben, die in der Lage ist für die Spannung Vh in der Verbindungsleitung CL realisiert zu werden und der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle wird somit erhöht. Konsequenterweise wird der FC-Wandler 150 mit der maximalen Hochsetzbarkeit betrieben, die in der Lage ist durch den FC-Wandler 150 realisiert zu werden. Das heißt, der FC-Wandler 150 wird bei einer relativen Einschaltdauer von 95% in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel betrieben. Die niedrigste Spannung Vfc, die in der Lage ist für die Spannung Vh realisiert zu werden, ist durch V2 in 5 dargestellt.
  • In Abhängigkeit des Zustandes der Brennstoffzelle 101 kann die Spannung in Bezug auf den Betriebspunkt B, der das Ziel ist, nach unten versetzt werden (siehe die IV2 aus 5). In einem solchen Fall jedoch wird der Ausgangsstrom aufgrund der Kennlinie der Brennstoffzelle verringert und die Ausgangsspannung wird erhöht. Somit wird die Brennstoffzelle 101 an dem Betriebspunkt B stabil betrieben.
  • Bei einer bekannten, beziehungsweise herkömmlichen Technologie, wie in dem Normalbetrieb, wird das Brennstoffzellensystem 100 selbst in dem Aufwärmbetrieb durch Betreiben der relativen Einschaltdauer in dem FC-Wandler 150 gesteuert. Wenn die Ausgangsspannung des FC-Wandlers 150 niedriger als ein eingeplanter Wert ist, wird somit eine obere Grenze für den Zielwert der relativen Einschaltdauer in dem FC-Wandler 150 bereitgestellt, so dass die Ausgangsspannung weiter erhöht wird. Der obere Grenzwert für den Zielwert der relativen Einschaltdauer ist ein Wert, der niedriger als der maximale Wert der relativen Einschaltdauer ist, der in der Lage ist durch den FC-Wandler 150 realisiert zu werden. Wenn die Ausgangsspannung des FC-Wandlers 150 höher als der eingeplante Wert ist, wird ebenfalls ein unterer Grenzwert für den Zielwert der relativen Einschaltdauer in dem FC-Wandler 150 bereitgestellt, so dass die Ausgangsspannung weiter verringert wird. Der untere Grenzwert für den Zielwert der relativen Einschaltdauer ist ein Wert, der höher als der Minimalwert der relativen Einschaltdauer ist, die in der Lage ist durch den FC-Wandler 150 realisiert zu werden. Innerhalb eines Bereichs zwischen dem oberen Grenzwert und dem unteren Grenzwert wird dann die Steuerung des Brennstoffzellensystems 100 in dem Aufwärmbetrieb durchgeführt. Beispielsweise wird der Zielwert der relativen Einschaltdauer in dem FC-Wandler 150 auf 8 bis 92% eingestellt. Somit ist es unmöglich, einen effizienten Aufwärmbetrieb durchzuführen, bei dem der FC-Wandler 150 mit der maximalen Hochsetzbarkeit betrieben wird (das heißt, die maximale relative Einschaltdauer), die in der Lage ist durch den FC-Wandler 150 realisiert zu werden, um die Brennstoffzelle 101 bei der niedrigsten Spannung Vfc zu betreiben, die in der Lage ist realisiert zu werden.
  • Andererseits wird in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel in dem Aufwärmbetrieb, der als der zweite Betriebsmodus DM2 fungiert, die Ausgangsspannung Vfc der Brennstoffzelle 101 mit der maximalen Hochsetzbarkeit hochgesetzt, die in der Lage ist durch den FC-Wandler 150 realisiert zu werden. Somit wird die Brennstoffzelle 101 derart betrieben, dass die Ausgangsspannung Vfc der Brennstoffzelle 101 die niedrigste Spannung ist, die in der Lage ist für die Spannung Vh in der Verbindungsleitung CL realisiert zu werden. Konsequenterweise wird die Brennstoffzelle 101 mit dem im Wesentlichen fixierten, beziehungsweise festen Betriebszustand betrieben, so dass die Brennstoffzelle 101 die maximale Menge an Wärme erzeugt, die in der Lage ist in dem Zustand des Brennstoffzellensystems 100 zu der Zeit realisiert zu werden (siehe die IV2 und die Q0 aus 5). Andererseits wird die Ausgabe der Brennstoffzelle 101 durch die Steuerung der Menge des Stroms unter Verwendung der Oxidationsgaszuführungseinrichtung 103 gesteuert. Während der Aufwärmbetrieb in dem zweiten Betriebsmodus DM2 effektiv ausgeführt wird, ist es somit möglich, ein Problem zu verhindern, bei dem der Betriebspunkt, der eine Kombination der Ausgangsspannung Vfc und des Ausgangsstroms der Brennstoffzelle 101 ist, signifikant von dem eingeplanten Betriebspunkt B verschoben wird.
  • Konsequenterweise ist es nicht notwendig eine große Leistung in der Sekundärbatterie 120 zu speichern oder die Sekundärbatterie 120 dazu zu bringen eine große Leistung in einer Niedrigtemperaturumgebung zu liefern, bei der der Aufwärmbetrieb ausgeführt wird (siehe den rechten Abschnitt der mittleren Reihe aus 1). Somit ist es möglich ein Problem zu verhindern, bei dem die Leistung, beziehungsweise die Performance der Sekundärbatterie 120 erniedrigt wird. Es ist ebenfalls nicht notwendig, Leistung verschwenderisch zu konsumieren, beziehungsweise zu verwenden, die in der Brennstoffzelle 101 bei dem Aufwärmbetrieb in der Last 130, die sich von dem Traktionsmotor 131 unterscheidet, erzeugt wird, um die Sekundärbatterie 120 davon abzuhalten geladen oder entladen zu werden. Es ist dann im Wesentlichen nicht notwendig eine Steuerung unter Verwendung der Steuerungsvorrichtung 160 auszuführen, um in der sich von dem Traktionsmotor 131 unterscheidenden Last 130 die Leistung zu konsumieren, beziehungsweise zu verbrauchen, die in der Brennstoffzelle 101 in dem Aufwärmbetrieb erzeugt wurde, um zu verhindern, dass die Sekundärbatterie 120 geladen oder entladen wird.
  • Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel steuert die Steuerungseinrichtung 162 in dem Aufwärmbetrieb die Spannung Vh in der Verbindungsleitung CL mit dem Batteriewandler 180 in einem Zustand, in dem die relative Einschaltdauer in dem FC-Wandler 150 im Wesentlichen auf die maximale relative Einschaltdauer fixiert, beziehungsweise festgelegt ist, die in der Lage ist realisiert zu werden (siehe den rechten Abschnitt der oberen Reihe aus 1). Die relative Einschaltdauer bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist hier 95%. In anderen Worten setzt der FC-Wandler 150 die Ausgangsklemmspannung Vfc der Brennstoffzelle 101 auf 20 Mal die Ausgangsklemmspannung Vfc hoch. Die Steuerungseinrichtung 162 steuert die Ausgangsklemmspannung Vfc der Brennstoffzelle 101 durch Steuern der Ausgangsspannung Vh des FC-Wandlers, 20 Mal so genau wie die Konfiguration, bei der die Eingangsspannung der Ausgangsspannung Vh des FC-Wandlers 150 (das heißt, die Ausgangsklemmspannung Vfc der Brennstoffzelle 101) gesteuert, beziehungsweise geregelt wird.
  • Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel steuert die Steuerungseinrichtung 162 in dem Aufwärmbetrieb auf Grundlage der Ausgangsspannung Vfc der Brennstoffzelle 101, die mit dem Spannungssensor VS1 erlangt wird, die Spannung Vh in der Verbindungsleitung CL unter Verwendung des Batteriewandlers 180 (siehe den rechten Abschnitt der oberen Reihe aus 1). In dem Aufwärmbetrieb wird der FC-Wandler 150 betrieben, dass die maximale Hochsetzbarkeit erreicht wird. Demnach ist die Ausgangsspannung Vfc der Brennstoffzelle 101 ein Feedback, beziehungsweise eine Rückmeldung, die durch Steuern der Spannung Vh in der Verbindungsleitung CL auf Grundlage der Ausgangsspannung Vfc der Brennstoffzelle 101 auf einen gewünschten Wert gesteuert, beziehungsweise geregelt wird.
  • Die Oxidationsgaszuführungseinrichtung 103 und die Brenngaszuführungseinrichtung 105 in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden ebenfalls kollektiv als eine „Reaktionsgaszuführungseinrichtung“ bezeichnet. Der FC-Wandler 150 wird ebenfalls als ein „erster Wandler“ bezeichnet. Die Steuerungseinrichtung 162, die als der Funktionsabschnitt der Steuerungsvorrichtung 160 fungiert, und das Brennstoffzellensystem 100 werden ebenfalls kollektiv als ein „Brennstoffzellensystem“ bezeichnet. Der Batteriewandler 180 wird ebenfalls als ein „zweiter Wandler“ bezeichnet. Der Normalbetrieb wird ebenfalls als ein „erster Betriebsmodus“ bezeichnet. Der Aufwärmbetrieb wird ebenfalls als ein „zweiter Betriebsmodus“ bezeichnet. Der Spannungssensor VS1 wird ebenfalls als eine „Spannungserlangungseinrichtung“ bezeichnet.
  • Die Schritte S200 und S300 aus 4 in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden ebenfalls als ein „Schritt zum Steuern des Brennstoffzellensystems in dem ersten Betriebsmodus“ bezeichnet. Die Schritte S400 und S500 aus 4 werden ebenfalls als ein „Schritt zum Steuern des Brennstoffzellensystems in dem zweiten Betriebsmodus“ bezeichnet.
  • Andere Ausführungsbeispiele:
  • B1. Anderes Ausführungsbeispiel 1:
  • (1) Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der FC-Wandler 150 ein Vierphasen-Parallelwandler, der mit der U-Phase 151, der V-Phase 152, der W-Phase 153 und der X-Phase 154 konfiguriert ist, die parallel zueinander geschaltet sind. Jedoch kann als der Wandler, der die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle umwandelt, ein Wandler verwendet werden, der eine andere Anzahl von Phasen aufweist, wie beispielsweise eine Phase, zwei Phasen, drei Phasen oder fünf oder mehr Phasen.
  • Der Wandler, der die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle umwandelt, kann bei der Umwandlung der Spannung eine oder mehrere Phasen von N-Phasen verwenden, die in dem Wandler umfasst sind. Beispielsweise kann der Wandler gemäß einer von der Last angeforderten Leistung die Anzahl von Phasen verwenden, bei der eine Effizienz erreicht wird.
  • (2) Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel wird als die Temperatur der Brennstoffzelle 101 die Temperatur tw des Kühlwassers in der Brennstoffzelle 101 verwendet (siehe den linken Abschnitt der oberen Reihe aus 1 und S100 aus 4). Jedoch kann als die Temperatur der Brennstoffzelle beispielsweise eine andere Temperatur verwendet werden, wie beispielsweise die Temperatur der Brennstoffzelle selber oder die Temperatur einer Struktur, die mit der Brennstoffzelle verbunden ist, die eine Korrelation mit der Temperatur der Brennstoffzelle aufweist.
  • (3) Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel verwendet die Steuerungsvorrichtung 160 in dem Aufwärmbetrieb die Oxidationsgaszuführungseinrichtung 103, um den Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 101 zu steuern (siehe den linken Abschnitt der oberen Reihe aus 1). Jedoch kann in dem Aufwärmbetrieb die Steuerungsvorrichtung 160 die Brenngaszuführungseinrichtung 105 alleine oder zusammen mit der Oxidationsgaszuführungseinrichtung 103 verwenden, um den Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 101 zu steuern. In anderen Worten wird der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 101 bevorzugt durch Anpassen von mindestens der Menge von Brenngas oder der Menge von Oxidationsgas, die der Brennstoffzelle 101 zugeführt werden, gesteuert.
  • (4) Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel instruiert die Steuerungsvorrichtung 160 in dem Aufwärmbetrieb den FC-Wandler 150 einen großen Stromwert von der Brennstoffzelle 101 auszugeben, der nicht in der Lage ist durch die Temperatur und die Menge an Oxidationsgas, das zu der Zeit zugeführt wird, realisiert zu werden. Konsequenterweise wird der FC-Wandler 150 mit der maximalen Hochsetzbarkeit betrieben, die in der Lage ist durch den FC-Wandler 150 realisiert zu werden und somit wird die Brennstoffzelle 101 bei der niedrigsten Spannung Vfc betrieben, die in der Lage ist für die Spannung Vh in der Verbindungsleitung CL (siehe 1 und 5) realisiert zu werden. Jedoch kann die Steuerungsvorrichtung 160 in dem Aufwärmbetrieb den FC-Wandler 150 instruieren, mit der maximalen Hochsetzbarkeit betrieben zu werden, die in der Lage ist durch den FC-Wandler 150 realisiert zu werden.
  • (5) Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Sekundärbatterie 120 eine Lithiumionenzelle. Jedoch kann als die Sekundärbatterie, die in der Lage ist Leistung, die mit der Brennstoffzelle erzeugt wird, und Leistung, die mit dem Motor, der als ein Stromerzeuger dient, erzeugt wird, anstelle der Lithiumionenzelle, eine andere Sekundärbatterie wie beispielsweise eine Nickelmetallhybridzelle oder Bleisäurezelle verwendet werden. Jedoch wird in einer Niedrigtemperaturumgebung die Ladefähigkeit und die Entladefähigkeit der Lithiumionenzelle signifikant herabgesetzt, beziehungsweise verringert. Demnach ist das Verfahren zum Steuern der Brennstoffzelle in der vorliegenden Offenbarung angemessen für die Konfiguration, bei der die Lithiumionenzelle als die Sekundärbatterie übernommen wird.
  • B2. Anderes Ausführungsbeispiel 2:
  • Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel umfasst das Brennstoffzellensystem 100 den FC-Wandler 150 und den Batteriewandler 180 (siehe den zentralen Abschnitt der Reihe aus 1). Jedoch kann eine Konfiguration übernommen werden, bei der das Brennstoffzellensystem 100 einen FC-Wandler 150 und keinen Batteriewandler 180 umfasst. Bei der oben beschriebenen Konfiguration wird der Aufwärmbetrieb wie folgt ausgeführt. In einem Fall, in dem die Ausgangsspannung Vfc der Brennstoffzelle 101, wenn der FC-Wandler 150 mit der maximalen Hochsetzbarkeit betrieben wird, die in der Lage ist durch den FC-Wandler 150 realisiert zu werden, eine Spannung innerhalb eines vorbestimmten zulässigen Bereichs ist, wird der FC-Wandler 150 mit der maximalen Hochsetzbarkeit betrieben, die in der Lage ist durch den FC-Wandler 150 realisiert zu werden. In einem Fall, in dem die Ausgangsspannung Vfc der Brennstoffzelle 101, wenn der FC-Wandler 150 mit der maximalen Hochsetzbarkeit betrieben wird, die in der Lage ist durch den FC-Wandler 150 betrieben zu werden, außerhalb des oben beschriebenen zulässigen Bereichs fällt, wird eine Hochsetzrate bei dem FC-Wandler 150 derart bestimmt, dass die Ausgangsspannung Vfc in den zulässigen Bereich fällt und der FC-Wandler 150 somit bei der Hochsetzrate betrieben wird.
  • B3. Anderes Ausführungsbeispiel 3:
  • Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel verwendet die Steuerungsvorrichtung 160 auf Grundlage der Ausgangsspannung Vfc der Brennstoffzelle 101, die mit dem Spannungssensor VS1 erlangt wird, den Batteriewandler 180, um die Spannung Vh in der Verbindungsleitung CL zu steuern. Jedoch kann die Steuerungsvorrichtung 160 die Spannung Vh in der Verbindungsleitung CL steuern, ohne auf der Ausgangsspannung Vfc der Brennstoffzelle 101 zu basieren.
  • B4. Anderes Ausführungsbeispiel 4:
  • Bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel, wenn die Temperatur tw der Brennstoffzelle 101 eine Temperatur ist, die als der erste Grenzwert fungiert und die gleich oder weniger als 0° C beträgt, wird der Aufwärmbetrieb ausgeführt (siehe S100 und S200 aus 4). Jedoch kann als der erste Grenzwert ein anderer Wert wie beispielsweise 1° C oder 3° C übernommen werden. Als die Bedingung, bei der der Aufwärmbetrieb gestartet wird, kann zusätzlich zu der Temperatur der Brennstoffzelle zu der Zeit beispielsweise eine andere Bedingung mit eingeschlossen werden, bei der die Temperatur der Brennstoffzelle in einer vergangenen vorbestimmten Zeitperiode gleich oder weniger als ein Grenzwert ist. Eine Vielzahl von oben beschriebenen Bedingungen können Parallelbedingungen oder Ladebedingungen sein. In anderen Worten wird der Aufwärmbetrieb, der als der zweite Betriebsmodus fungiert, bevorzugt unter vorbestimmten Bedingungen ausgeführt.
  • Die Offenbarung ist nicht auf das Ausführungsbeispiel, die Beispiele oder die oben beschriebenen Modifikationen beschränkt, sondern kann durch eine Diversität beziehungsweise Vielzahl von anderen Konfigurationen implementiert werden, ohne von dem Grundgedanken der Offenbarung abzuweichen. Beispielsweise können die technischen Merkmale von dem Ausführungsbeispiel, der Beispiele und der Modifikationen, die den technischen Merkmalen von jedem der in der ZUSAMMENFASSUNG beschriebenen Aspekte entsprechen, in angemessener Art und Weise ersetzt oder kombiniert werden, um einen Teil oder alle der Probleme zu lösen, die oben beschrieben sind, oder um einen Teil oder alle der vorteilhaften Wirkungen zu erzielen, die oben beschrieben sind. Jedes der technischen Merkmale kann auf geeignete Art und Weise ausgelassen werden, solange das technische Merkmal hier nicht als essentiell beziehungsweise notwendig beschrieben ist.
  • Ein Brennstoffzellensystem umfasst: Eine Brennstoffzelle; eine Reaktionsgaszuführungseinrichtung, die der Brennstoffzelle ein Brenngas und ein Oxidationsgas zuführt; einen ersten Wandler, der die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle umwandelt, eine Sekundärbatterie; eine Verbindungsleitung, die den ersten Wandler und die Sekundärbatterie parallel zu einer Last verbindet; und eine Steuerungseinrichtung. Die Steuerungseinrichtung umfasst einen ersten Betriebsmodus und einen zweiten Betriebsmodus. In dem ersten Betriebsmodus wird der erste Wandler mit einer Hochsetzbarkeit betrieben, die in der Lage ist von dem ersten Wandler realisiert zu werden. In dem zweiten Betriebsmodus wird der erste Wandler mit der maximalen Hochsetzbarkeit betrieben, die in der Lage ist von dem ersten Wandler realisiert zu werden, und in dem die Reaktionsgaszuführungseinrichtung verwendet wird, um den Ausgangsstrom der Brennstoffzelle zu steuern.
  • 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 2007184243 [0002]

Claims (6)

  1. Brennstoffzellensystem (100) mit: einer Brennstoffzelle (101); einer Reaktionsgaszuführungseinrichtung (103, 105), die die Brennstoffzelle (101) mit einem Brenngas und einem Oxidationsgas versorgt; einem ersten Wandler (150), der eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (101) umwandelt; einer Sekundärbatterie (120); einer Verbindungsleitung (CL), die ein Ausgangsende des ersten Wandlers (150) und ein Ausgangsende der Sekundärbatterie (120) parallel zu einer Last verbindet; und einer Steuerungseinrichtung (162), die das Brennstoffzellensystem (100) steuert, wobei die Steuerungseinrichtung (162) als Betriebsmodi des Brennstoffzellensystems (100) einen ersten Betriebsmodus (DM1) und einen zweiten Betriebsmodus (DM2) umfasst, wobei der erste Betriebsmodus (DM1) ein Betriebsmodus ist, in dem der erste Wandler (150) mit einer Hochsetzbarkeit betrieben wird, die in der Lage ist von dem ersten Wandler (150) realisiert zu werden, und der zweite Betriebsmodus (DM2) ein Betriebsmodus ist, in dem der erste Wandler (150) mit einer maximalen Hochsetzbarkeit betrieben wird, die in der Lage ist von dem ersten Wandler (150) realisiert zu werden, und in dem die Reaktionsgaszuführungseinrichtung (103, 105) zum Steuern eines Ausgangsstroms der Brennstoffzelle (101) verwendet wird.
  2. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1, ferner mit: einem zweiten Wandler (180), der eine Ausgangsspannung der Sekundärbatterie (120) umwandelt, wobei die Verbindungsleitung (CL) durch den zweiten Wandler (180) an das Ausgangsende der Sekundärbatterie (120) angeschlossen ist, und in dem ersten Betriebsmodus (DM1) und dem zweiten Betriebsmodus (DM2) eine Spannung in der Verbindungsleitung (CL) mit dem zweiten Wandler (180) gesteuert wird.
  3. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 2, ferner mit: einer Spannungserlangungseinrichtung (VS1), die die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (101) erlangt, wobei in dem zweiten Betriebsmodus (DM2), auf Grundlage der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (101), die mit der Spannungserlangungseinrichtung (VS1) erlangt wird, die Steuerungseinrichtung (162) die Spannung in der Verbindungsleitung (CL) unter Verwendung des zweiten Wandlers (180) steuert.
  4. Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems (100), das Brennstoffzellensystem (100) mit: einer Brennstoffzelle (101); einem ersten Wandler (150), der eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (101) umwandelt; einer Sekundärbatterie (120); und einer Verbindungsleitung (CL), die ein Ausgangsende des ersten Wandlers (150) und ein Ausgangsende der Sekundärbatterie (120) parallel zu einer Last verbindet, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: (a) Steuern des Brennstoffzellensystems (100) in einem ersten Betriebsmodus (DM1); und (b) Steuern des Brennstoffzellensystems (100) in einem zweiten Betriebsmodus (DM2), wenn eine vorbestimmte Bedingung erfüllt ist, wobei der erste Betriebsmodus (DM1) ein Betriebsmodus ist, in dem der erste Wandler (150) mit einer Hochsetzbarkeit betrieben wird, die in der Lage ist von dem ersten Wandler (150) realisiert zu werden, und der zweite Betriebsmodus (DM2) ein Betriebsmodus ist, in dem der erste Wandler (150) mit einer maximalen Hochsetzbarkeit betrieben wird, die in der Lage ist von dem ersten Wandler (150) realisiert zu werden, und in dem ein Ausgangsstrom der Brennstoffzelle (101) durch Anpassen von mindestens einer Menge eines Brenngases oder einer Menge eines Oxidationsgases gesteuert wird, das der Brennstoffzelle (101) zugeführt wird.
  5. Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems (100) nach Anspruch 4, wobei das Brennstoffzellensystem (100) ferner einen zweiten Wandler (180) umfasst, der eine Ausgangsspannung der Sekundärbatterie (120) umwandelt, wobei die Verbindungsleitung (CL) durch den zweiten Wandler (180) an das Ausgangsende der Sekundärbatterie (120) angeschlossen ist, und in dem ersten Betriebsmodus (DM1) und dem zweiten Betriebsmodus (DM2) eine Spannung in der Verbindungsleitung (CL) mit dem zweiten Wandler (180) gesteuert wird.
  6. Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems (100) nach Anspruch 5, wobei in dem zweiten Betriebsmodus (DM2), auf Grundlage der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (101), die Spannung in der Verbindungsleitung (CL) unter Verwendung des zweiten Wandlers (180) gesteuert wird.
DE102021104096.5A 2020-02-25 2021-02-22 Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems Pending DE102021104096A1 (de)

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