DE102022210922A1 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

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Tae Geun Kim
Oh Tak KWON
Jin Hun Lee
Hun Woo Park
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Hyundai Motor Co
Kia Corp
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Hyundai Motor Co
Kia Corp
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Abstract

Das beschriebene Brennstoffzellensystem umfasst einen Kühler, der dazu eingerichtet ist, Wärme mit Kühlmittel auszutauschen, das von einem Brennstoffzellenstapel abgeführt wird, eine Kühlmittelzufuhrpumpe, die dazu eingerichtet ist, das Kühlmittel dem Brennstoffzellenstapel zuzuführen, eine COD-Heizvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, von dem Brennstoffzellenstapel erzeugten elektrischen Strom aufzunehmen, ein Ventil, das mit dem Brennstoffzellenstapel, dem Kühler, der Kühlmittelzufuhrpumpe und der COD-Heizvorrichtung verbunden ist, um eine Kühlmittelströmung zu steuern, und eine Steuerungseinrichtung, die dazu eingerichtet ist, eine Betriebsstartzeit und einen Ausgang der COD-Heizvorrichtung zu steuern, um von dem Brennstoffzellenstapel erzeugten Strom in Abhängigkeit von einem Ladezustand (SOC) einer Batterie und einem Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels aufzunehmen. Die Steuereinrichtung steuert das Ventil so, dass das Kühlmittel nach einem Kaltstartabschnitt des Brennstoffzellenstapels zur COD-Heizvorrichtung in einem Temperatursteuerungsbereich strömt.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung betreffen ein Brennstoffzellensystem, das in der Lage ist, den von einem Brennstoffzellenstapel erzeugten Strom aufzunehmen, indem eine COD-Heizvorrichtung gesteuert wird.
  • Beschreibung des Standes der Technik
  • Zu den Hauptkomponenten eines Brennstoffzellensystems gehört ein Brennstoffzellenstapel, ein Typ von Stromerzeugungsvorrichtung, der elektrischen Strom durch eine chemische Reaktion zwischen Luftsauerstoff und von außen zugeführtem Wasserstoff erzeugt. Ein bei einem Fahrzeug verwendetes Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel zur Erzeugung elektrischer Energie durch die elektrochemische Reaktion von Reaktionsgas (Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel), eine Wasserstoffversorgungseinrichtung zur Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit Wasserstoff als Brennstoff, eine Luftzuführungseinrichtung zur Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit sauerstoffhaltiger Luft, ein Wärme- und Wassermanagementsystem zur Steuerung der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels und zur Durchführung einer Wassermanagementfunktion und eine Steuereinrichtung zur Steuerung des Gesamtbetriebs des Brennstoffzellensystems.
  • Unterdessen muss das Brennstoffzellensystem eine COD-Heizung steuern, beispielsweise bei einem Kaltstart, wenn das Fahrzeug auf einer abfallenden Straße fährt, oder wenn der Brennstoffzellenstapel abgeschaltet wird. Insbesondere führt das Brennstoffzellensystem eine Wärmeregelung des Brennstoffzellenstapels unter Verwendung der COD-Heizvorrichtung durch, um den normalen Betrieb des Brennstoffzellenstapels bei einem Niedrigtemperaturstart zu ermöglichen. Die Verkürzung der Kaltstartzeit steht in direktem Zusammenhang mit der Qualität eines Fahrzeugs, weshalb es von Vorteil ist, den Startvorgang in möglichst kurzer Zeit durchzuführen.
  • Darüber hinaus kann die Fahrzeugbatterie mit der bei Bergabfahrten erzeugten Rückgewinnungsenergie geladen werden. Bei längerer Bergabfahrt oder wenn die Batterie bereits ausreichend geladen ist, wird jedoch gesteuert, dass die durch die Energierückgewinnung erzeugte Energie anhand der Heizvorrichtung COD verbraucht wird, um eine Überladung der Batterie zu verhindern. Erfolgt diese Steuerung nicht, muss der Fahrer bei Bergabfahrten ständig eine hydraulische Bremse betätigen, was zu einer Verschlechterung der Produktqualität und, was noch schwerer wiegt, zu einer Verschlechterung der Bremsleistung führen kann.
  • Wenn der Brennstoffzellenstapel jedoch nach dem Kaltstart nicht die erforderliche Menge an Strom erzeugt, kann sich die Haltbarkeit des Brennstoffzellenstapels verschlechtern, wenn er abgeschaltet wird. Wenn die bei einer Bergabfahrt durch das Rückgewinnungsbremsen erzeugte Energie größer ist als die von der COD-Heizvorrichtung verbrauchte Energie, wird das Rückgewinnungsbremsen nicht durchgeführt und die hydraulische Bremse kann während der Bergabfahrt eingreifen. Wenn die COD-Heizvorrichtung bei Bergabfahrten übermäßig betrieben wird, kann die in der Batterie gespeicherte Energie auch beim Rückgewinnungsbremsen verbraucht werden, was zu einer Verschlechterung der Kraftstoffeffizienz des Fahrzeugs führt.
  • Die in diesem Abschnitt „Hintergrund“ offengelegten Informationen, dienen nur der Verbesserung des Verständnisses des Hintergrunds der Offenbarung und können daher Informationen enthalten, die nicht den Stand der Technik bilden, der hierzulande einem Durchschnittsfachmann bereits bekannt ist.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Offenbarung ist darauf gerichtet, die zum Stand der Technik gehörenden, vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen.
  • In einer Ausführungsform sieht die vorliegende Offenlegung ein Brennstoffzellensystem vor, das in der Lage ist, die von einem Brennstoffzellenstapel erzeugte Energie unter Berücksichtigung des Ladezustands einer Batterie aufzunehmen.
  • In einer anderen Ausführungsform stellt die vorliegende Offenbarung ein Brennstoffzellensystem bereit, das in der Lage ist, durch Anwenden einer COD-Heizvorrichtung Energie aufzunehmen, um das Eingreifen einer Bremse zu verhindern und ein Rückgewinnungsbremsen durchzuführen, während ein Fahrzeug auf einer abfallenden Straße fährt.
  • In einer weiteren Ausführungsform stellt die vorliegende Offenbarung ein Brennstoffzellensystem bereit, das eine COD-Heizvorrichtung derart betreibt, dass der Ladezustand einer Batterie einen Grenzwert nicht überschreitet.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt. Das Brennstoffzellensystem umfasst einen Kühler, der dazu eingerichtet ist, Wärme mit Kühlmittel auszutauschen, das von einem Brennstoffzellenstapel abgeführt wird, eine Kühlmittelzufuhrpumpe, die dazu eingerichtet ist, das Kühlmittel dem Brennstoffzellenstapel zuzuführen, eine COD-Heizvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, von dem Brennstoffzellenstapel erzeugten elektrischen Strom aufzunehmen, ein Ventil, das mit dem Brennstoffzellenstapel, dem Kühler, der Kühlmittelzufuhrpumpe und der COD-Heizvorrichtung verbunden ist, um eine Kühlmittelströmung zu steuern, und eine Steuereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, eine Betriebsstartzeit und einen Ausgang der COD-Heizvorrichtung zu steuern, um von dem Brennstoffzellenstapel erzeugten Strom in Abhängigkeit von einem Ladezustand (SOC) einer Batterie und einem Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels aufzunehmen, wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, das Ventil derart zu steuern, dass das Kühlmittel zu der COD-Heizvorrichtung in einem Temperatursteuerungsbereich nach einem Kaltstartabschnitt des Brennstoffzellenstapels strömt.
  • Wenn der Brennstoffzellenstapel eine erforderliche Null-Stromerzeugung aufweist, kann die Steuerung eine obere Spannungsgrenze des Brennstoffzellenstapels begrenzen, um den Brennstoffzellenstapel mit einem Netto-Ausgang zu betreiben. Der Netto-Ausgang des Brennstoffzellenstapels kann einem Wert entsprechen, der sich aus der Subtraktion einer Zusatzeinrichtungen-Verbrauchsleistung, d. h. eines Ausgangs, der von Hochspannungskomponenten des Brennstoffzellensystems aufgenommen wird, von einem Ausgang an der oberen Spannungsgrenze des Brennstoffzellenstapels ergibt.
  • Wenn der Ladezustand der Batterie kleiner als ein voreingestellter Wert ist, kann die Steuereinrichtung veranlassen, dass die Batterie mit dem von dem Netto-Ausgang des Brennstoffzellenstapels erzeugten Strom geladen wird. Wenn der Ladezustand der Batterie gleich oder höher als der voreingestellte Wert ist, kann die Steuereinrichtung die COD-Heizvorrichtung so steuern, dass sie einen Ausgang erzeugt, der dem Netto-Ausgang des Brennstoffzellenstapels entspricht.
  • Die COD-Heizvorrichtung kann mit einem IGBT und einem COD-Controller versehen werden, um der von der Steuereinrichtung erhaltenen Ausgabe zu entsprechen. Der COD-Controller kann einen Lastwert ermitteln, der sich aus der Division der von der Steuereinrichtung empfangenen Ausgabe durch eine maximale Ausgabe der COD-Heizvorrichtung für die Spannung des Brennstoffzellenstapels ergibt.
  • Die Steuereinrichtung kann den Zeitpunkt vorhersagen, zu dem ein Fahrzeug in eine abfallende Straße einfährt, und zwar basierend auf Informationen, die er von einem GPS-Gerät erhält, das nach einer Fahrstrecke des Fahrzeugs sucht.
  • Die Steuereinrichtung kann die beim Bergabfahren zu erzeugende Rückgewinnungsenergie und die wiederaufladbare Energie anhand des Ladezustands der Batterie berechnen. Die Steuereinrichtung kann die COD-Heizvorrichtung so steuern, dass sie ausgeschaltet wird, wenn die Rückgewinnungsenergie geringer ist als die Summe aus der wiederaufladbaren Energie und der Zusatzeinrichtungen-Verbrauchsenergie.
  • Wenn die Rückgewinnungsenergie gleich oder größer ist als die Summe der wiederaufladbaren Energie und der Zusatzeinrichtungen-Verbrauchsenergie, kann die Steuereinrichtung bestimmen, ob die COD-Heizvorrichtung eingeschaltet werden soll, bevor das Fahrzeug in die abfallende Straße einfährt, und zwar basierend auf einem Vergleich zwischen den Werten, die durch Subtraktion der Summe der wiederaufladbaren Energie und der Zusatzeinrichtungen-Verbrauchsenergie von der COD-Verbrauchsenergie, die von der COD-Heizvorrichtung aufgenommen wird, und der Rückgewinnungsenergie erhalten werden, während das Fahrzeug auf der abfallenden Straße fährt.
  • Wenn die COD-Verbrauchsenergie unter einem Wert liegt, der sich aus der Subtraktion der Summe der wiederaufladbaren Energie und der Verbrauchsenergie der Zusatzgeräte von der Rückgewinnungsenergie ergibt, kann die Steuereinrichtung steuern, dass die COD-Heizvorrichtung eingeschaltet wird, bevor das Fahrzeug in die abfallende Straße einfährt.
  • Die Steuereinrichtung kann die COD-Heizvorrichtung so steuern, dass sie vor dem Einfahren des Fahrzeugs in die abfallende Straße COD-Vorverbrauchsenergie aufnimmt, d. h. einen Wert, der sich aus der Subtraktion der Summe der wiederaufladbaren Energie, der Zusatzeinrichtungen-Verbrauchsenergie und der COD-Verbrauchsenergie von der Rückgewinnungsenergie ergibt.
  • Die Steuereinrichtung kann die COD-Heizvorrichtung so steuern, dass sie zu einem Zeitpunkt eingeschaltet wird, der vor dem Zeitpunkt liegt, zu dem das Fahrzeug voraussichtlich in die abfallende Straße einfährt, und zwar um eine Vorlaufzeit für den COD-Betrieb, die sich aus der Teilung der COD-Vorverbrauchsenergie durch einen maximalen Ausgang der COD-Heizvorrichtung ergibt.
  • Nachdem das Fahrzeug in die abfallende Straße hineingefahren ist, kann die Steuereinrichtung einen Rückgewinnungsstromausgang mit einem maximalen Ausgang der COD-Heizvorrichtung vergleichen, um eine EIN/AUS-Zeit der COD-Heizvorrichtung zu bestimmen, so dass der Ladezustand der Batterie nicht einen Grenzwert erreicht.
  • Wenn die COD-Heizvorrichtung eingeschaltet ist und der Rückgewinnungsstromausgang den maximalen Ausgang der COD-Heizvorrichtung übersteigt, bevor das Fahrzeug in die abfallende Straße einfährt, kann die Steuereinheit die COD-Heizvorrichtung so steuern, dass sie mit maximalem Ausgang betrieben wird.
  • Wenn die COD-Heizvorrichtung eingeschaltet ist und der Rückgewinnungsstromausgang kleiner oder gleich dem maximalen Ausgang der COD-Heizvorrichtung ist, bevor das Fahrzeug in die abfallende Straße einfährt, kann die Steuereinheit steuern, dass die COD-Heizvorrichtung ausgeschaltet wird.
  • Wenn die COD-Heizvorrichtung ausgeschaltet ist und der Rückgewinnungsstromausgang den maximalen Ausgang der COD-Heizvorrichtung übersteigt, bevor das Fahrzeug in die abfallende Straße einfährt, kann die Steuereinheit steuern, dass die COD-Heizvorrichtung eingeschaltet wird.
  • Wenn die COD-Heizvorrichtung ausgeschaltet ist und der Rückgewinnungsstromausgang kleiner oder gleich dem maximalen Ausgang der COD-Heizvorrichtung ist, bevor das Fahrzeug in die abfallende Straße einfährt, kann die Steuereinrichtung die COD-Heizvorrichtung so steuern, dass sie ausgeschaltet wird.
  • Wenn der Ladezustand der Batterie durch das Rückgewinnungsbremsen des Fahrzeugs den Grenzwert erreicht, kann die Steuereinheit die COD-Heizvorrichtung so steuern, dass ihren Ausgang gleich dem Rückgewinnungsstromausgang ist.
  • Die Steuereinrichtung kann die COD-Heizvorrichtung so steuern, dass sie ausgeschaltet wird, wenn das Fahrzeug die abfallende Straße verlässt.
  • Das Brennstoffzellensystem kann ferner einen Heizerkern, der zwischen der COD-Heizvorrichtung und dem Ventil angeordnet ist, eine PTC-Heizvorrichtung für die Beheizung des Fahrzeuginnenraums und ein Klimaanlagen-Steuergerät umfassen, das zur Steuerung der PTC-Heizvorrichtung konfiguriert ist. Wenn die Eintritts-Temperatur des Brennstoffzellenstapels unter einer erforderlichen Temperatur des Heizerkerns liegt, kann das Klimaanlagen-Steuergerät einen Befehl zum Einschalten der COD-Heizvorrichtung an die Steuereinrichtung übermitteln.
  • Wenn eine Eintritts-Temperatur des Heizerkerns nach dem Einschalten der COD-Heizvorrichtung niedriger ist als die erforderliche Temperatur des Heizungskerns, kann das Klimaanlagen-Steuergerät einen Befehl zur Erhöhung eines Ausgangs der COD-Heizvorrichtung an die Steuereinrichtung übermitteln.
  • Wenn die Eintritts-Temperatur des Brennstoffzellenstapels gleich oder höher ist als die erforderliche Temperatur des Heizerkerns, und wenn die Eintritts-Temperatur des Heizerkerns gleich oder höher ist als die erforderliche Temperatur des Heizerkerns, nachdem die COD-Heizvorrichtung eingeschaltet ist, kann das Klimaanlagen-Steuergerät einen Ausgang der PTC-Heizvorrichtung um einen Wert steuern, der durch Subtraktion einer vom Heizerkern zugeführten Wärmemenge von einer erforderlichen Heizmenge erhalten wird. Die vom Heizerkern zugeführte Wärmemenge kann basierend auf der Eintritts-Temperatur des Heizerkerns, der Eintritts-Temperatur des Brennstoffzellenstapels und der Wärmeübertragungseffizienz des Heizerkerns berechnet werden.
  • Wie bereits erwähnt, umfassen das Verfahren und das System die Verwendung einer Steuereinrichtung oder eines Prozessors.
  • In einer anderen Ausführungsform werden Fahrzeuge bereitgestellt, die eine hierin beschriebene Vorrichtung umfassen.
  • Andere Ausführungsformen und bevorzugte Ausführungsformen der Offenbarung werden unten erläutert.
  • Die obigen und weitere Merkmale der Offenbarung sind unten erläutert.
  • Figurenliste
  • Die obigen und andere Merkmale der vorliegenden Offenbarung werden unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsbeispiele, die in den beiliegenden Zeichnungen nur beispielhaft dargestellt sind, ausführlich beschrieben und schränken somit die vorliegende Offenbarung nicht ein, und wobei:
    • 1 ist ein Diagramm, das ein Brennstoffzellensystem gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
    • 2 ist ein Diagramm, das ein Ventilsteuerungsverfahren für einen Betriebsmodus eines Brennstoffzellenstapels gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
    • 3 ist ein Flussdiagramm, das ein Steuerungsverfahren des Brennstoffzellensystems veranschaulicht, wenn der erforderliche Betrag der Stromerzeugung des Brennstoffzellenstapels gemäß der vorliegenden Ausführungsform Null ist;
    • 4 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Steuern der COD-Heizvorrichtung veranschaulicht, bevor ein Fahrzeug in eine abfallende Straße einfährt, gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
    • 5 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Steuern der COD-Heizvorrichtung veranschaulicht, nachdem das Fahrzeug in die abfallende Straße einfährt, wie es in der vorliegenden Offenbarung beschrieben ist;
    • Die 6 und 7 sind Diagramme zur Erläuterung der Betriebszeit einer COD-Heizvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Offenbarung;
    • 8 ist ein Diagramm, das ein Steuerungssystem für eine COD-Heizvorrichtung zur Unterstützung der Beheizung des Fahrzeuginnenraums gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht;
    • 9 ist ein Flussdiagramm, das ein Steuerungsverfahren für eine COD-Heizvorrichtung zur Unterstützung der Beheizung des Fahrzeuginnenraums gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht; und
    • 10 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Ventilsteuerung veranschaulicht, um die Haltbarkeit eines Ionenfilters gemäß der vorliegenden Offenbarung zu gewährleisten.
  • Es sollte verstanden werden, dass die beigefügten Figuren nicht notwendigerweise auf den Maßstab beschränkt sind und eine gewissermaßen vereinfachte Darstellung von verschiedenen bevorzugten Merkmalen präsentiert, die Basisprinzipien der Offenbarung verdeutlichen. Spezifische Gestaltungsmerkmale der vorliegenden Offenbarung, wie beispielsweise spezifische Abmessungen, Ausrichtungen, Positionierungen und Formen, werden teilweise auch durch die geplante Nutzung und Anwendungsumgebung bestimmt.
  • In den Figuren beziehen sich Bezugszeichen auf gleiche oder äquivalente Teile der vorliegenden Offenbarung über die verschiedenen Figuren hinweg.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, von denen Beispiele in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, ausführlich beschrieben. Während die Erfindung in Verbindung mit beispielhaften Ausführungsformen beschrieben wird, wird davon ausgegangen, dass die vorliegende Beschreibung die Erfindung nicht auf diese beispielhaften Ausführungsformen beschränken soll. Tatsächlich soll die Erfindung nicht nur die beispielhaften Ausführungsformen abdecken, sondern auch verschiedene Alternativen, Modifikationen, Äquivalente und weitere Ausführungsformen, welche vom Grundgedanken und Umfang der Erfindung, wie sie durch die angefügten Ansprüche definiert ist, umfassen kann.
  • Vorteile und Merkmale von Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung und Maßnahmen zum Erreichen der Vorteile und Merkmale werden aus den Ausführungsformen deutlicher, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen detailliert beschrieben werden. Die vorliegende Offenbarung kann jedoch in verschiedenen Formen ausgeführt werden und sollte nicht so ausgelegt werden, dass sie auf die hier dargelegten Ausführungsformen beschränkt ist. Vielmehr sind diese Ausführungsformen bereitgestellt, damit die Offenbarung gründlich und vollständig ist und den Fachleuten den Umfang der vorliegenden Offenbarung vollständig vermittelt. Die vorliegende Offenbarung sollte basierend auf dem gesamten in den beiliegenden Ansprüchen dargelegten Sachverhalt definiert werden. In der gesamten Offenbarung beziehen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Komponenten.
  • Darüber hinaus beziehen sich die hier verwendeten Begriffe „···-Abschnitt“, "...-Einheit", „Modul“ auf eine Einheit, die mindestens eine Funktion oder einen Vorgang ausführt, wobei diese Einheit als Hardware, Software oder eine Kombination davon ausgeführt werden kann.
  • Darüber hinaus können hier Begriffe wie „erste“ und „zweite“ verwendet werden, um Komponenten in den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu beschreiben. Diese Begriffe beschränken nicht die Reihenfolge der in der folgenden Beschreibung angegebenen Bestandteile.
  • Es ist zu verstehen, dass der Begriff „Fahrzeug“ oder „Fahrzeug...“ oder andere ähnliche hierin verwendete Begriffe motorgetriebene Fahrzeuge im Allgemeinen betrifft, wie beispielsweise Personenkraftwagen einschließlich Geländewagen (SUV, abgeleitet vom englischen Begriff „sports utility vehicle“, auf Deutsch „Sport-Gebrauchsfahrzeug“), Busse, Lastkraftwagen, verschiedene Nutzfahrzeuge, Wasserfahrzeuge einschließlich einer Vielzahl von Booten und Schiffen, Flugzeuge und ähnliches, und weist Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Steckdosenhybrid-Elektrofahrzeuge, wasserstoffgetriebene Fahrzeuge und Fahrzeuge mit anderen alternativen Kraftstoffen (beispielsweise Kraftstoffe, welche aus anderen Rohstoffen als Erdöl gewannen werden) auf. Als ein Hybridfahrzeug wird hierin ein Fahrzeug bezeichnet, welches zwei oder mehr Antriebsquellen hat, beispielsweise Fahrzeuge, die sowohl benzingetrieben, als auch elektrisch angetrieben sind.
  • Die hierin verwendete Terminologie dient lediglich dem Zweck des Beschreibens von bestimmten Ausführungsformen und ist nicht dazu gedacht, die Erfindung zu beschränken. Wie hierin verwendet wird, sollen die Singular-Formen „ein, eine, eines“ und „der, die, das“ auch die Plural-Formen mit umfassen, es sei denn, dass sich aus dem Zusammenhang eindeutig etwas anderes ergibt. Diese Begriffe dienen lediglich dazu, einen Bestandteil von einem anderen zu unterscheiden, und schränken die Art, die Reihenfolge oder die Reihenfolge der einzelnen Bestandteile nicht ein. Es wird weiterhin davon ausgegangen, dass die Begriffe „umfasst“ und/oder „umfassend“ bei Verwendung in dieser Beschreibung die Anwesenheit von genannten Merkmalen, ganzzahligen Vielfachen, Schritten, Betriebszuständen, Elementen und/oder Komponenten spezifizieren, aber nicht die Anwesenheit oder das Hinzufügen eines oder mehrerer weiterer Merkmale, ganzzahliger Vielfache, Schritten, Betriebszuständen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließen. Wie hierin verwendet, weist der Begriff „und/oder“ jede sowie alle Kombinationen von einem oder mehreren der dazugehörig aufgezählten Gegenstände auf. Durchgehend durch die Beschreibung, falls nicht explizit das Gegenteil beschrieben ist, sind das Wort „aufweisen“ und Abwandlungen davon wie „aufweist“ oder „aufweisend“ so zu verstehen, dass sie die Einbeziehung von angegebenen Elementen, aber nicht die Ausschließung von irgendeinem anderen Element bedeuten. Darüber hinaus bedeuten die in der Beschreibung verwendeten Begriffe „...einheit", „...modul", etc. Einheiten zur Verarbeitung zumindest einer Funktion und Operation und können durch Hardwarekomponenten oder Softwarekomponenten und Kombinationen davon implementiert werden.
  • Obwohl eine beispielhafte Ausführungsform zur Durchführung des beispielhaften Vorgangs unter Verwendung einer Mehrzahl von Einheiten beschrieben wird, soll davon ausgegangen werden, dass die beispielhaften Vorgänge auch durch ein Modul oder eine Mehrzahl von Modulen ausführbar sind. Außerdem soll davon ausgegangen werden, dass sich der Begriff Steuerung/Steuereinheit auf eine Hardwareeinrichtung bezieht, die einen Speicher und einen Prozessor umfasst und spezifisch für die Ausführung der hier beschriebenen Prozesse programmiert ist. Der Speicher ist derart ausgebildet, um die Module abzuspeichern, und der Prozessor ist insbesondere dazu ausgebildet, um die Module zur Durchführung eines oder mehrerer Prozesse, die im Folgenden beschrieben werden, auszuführen.
  • Ferner kann die Steuerlogik der vorliegenden Offenbarung als nicht-flüchtige computerlesbare Medien auf einem computerlesbaren Medium ausgeführt sein, das ausführbare Programmanweisungen enthält, die von einem Prozessor, einer Steuerung oder Ähnlichem ausgeführt werden. Beispiele der computerlesbaren Medien weisen auf, sind aber nicht darauf beschränkt: ROMs, RAMs, Kompakt-CD-ROMs (CD-ROMs), Magnetbänder, Disketten, Speicherlaufwerke, Chipkarten und optische Speichervorrichtungen. Das computerlesbare Aufzeichnungsmedium kann außerdem in Netzwerk-gekoppelten Computersystemen verteilbar sein, so dass die computerlesbaren Medien in einer verteilten Art und Weise abspeicherbar und ausführbar sind, zum Beispiel durch einen Telematikserver oder ein Controller Area Network (CAN).
  • Die obige ausführliche Beschreibung erläutert lediglich die vorliegende Offenbarung. Die Beschreibung hierin bezieht sich auf bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, und es wird für den Fachmann offensichtlich sein, dass die vorliegende Offenbarung in verschiedenen anderen Kombinationen, Modifikationen und Umgebungen verwendet werden kann. Das heißt, dass es für die Fachleute auf dem technischen Gebiet offensichtlich ist, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom dem Wesen oder Bereich der vorliegenden Offenbarung abzuweichen, die in den folgenden Ansprüchen definiert sind. Die nachfolgend zu beschreibende Ausführungsform stellt die beste Art der Umsetzung der technischen Idee der vorliegenden Offenbarung dar, aber es wird für den Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Änderungen möglich sind, die für bestimmte Anwendungen und Verwendungen der vorliegenden Offenbarung erforderlich sind. Dementsprechend sind die beschriebenen Einzelheiten nicht dazu gedacht, die vorliegende Offenbarung auf die offengelegten Ausführungsformen zu beschränken. Außerdem sollten die beiliegenden Ansprüche so ausgelegt werden, dass sie auch andere Ausführungsformen umfassen.
  • 1 ist ein Diagramm, das ein Brennstoffzellensystem gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
  • Bezugnehmend auf 1 kann das Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstapel 10, einen Kühler 20, eine Kühlmittelzufuhrpumpe 30, eine Kathoden-Sauerstoff-Verminderungs (COD, von engl. „cathode oxygen depletion“)-Heizvorrichtung 40, ein Ventil 50, einen Heizerkern 60 und einen Ionenfilter 70 umfassen.
  • Der Brennstoffzellenstapel 10 kann elektrischen Strom durch eine chemische Reaktion von Sauerstoff und Wasserstoff erzeugen, die diesem zugeführt werden. Zur Ableitung der Wärme, die bei der chemischen Reaktion im Brennstoffzellenstapel 10 als Nebenprodukt entsteht, kann Kühlmittel in den Brennstoffzellenstapel 10 eingeleitet werden.
  • Der Einlass und der Auslass des Brennstoffzellenstapels 10 können mit Temperatursensoren 11 und 12 zur Messung der Temperatur des in den oder aus dem Brennstoffzellenstapel 10 strömenden Kühlmittels versehen sein. Die Temperatursensoren 11 und 12 können einen ersten Temperatursensor 11 zur Messung der Temperatur des in den Brennstoffzellenstapel 10 einströmenden Kühlmittels und einen zweiten Temperatursensor 12 zur Messung der Temperatur des aus dem Brennstoffzellenstapel 10 ausströmenden Kühlmittels umfassen.
  • Der Kühler 20 kann das Kühlmittel, dessen Temperatur sich nach der chemischen Reaktion im Brennstoffzellenstapel 10 erhöht hat, wieder abkühlen. Der Kühler 20 kann die Wärme des Kühlmittels nach außen abgeben. Das vom Kühler 20 gekühlte Kühlmittel kann zum Ventil 50 strömen.
  • Die Kühlmittelzuführungspumpe 30 kann das vom Ventil 50 gelieferte Kühlmittel dem Brennstoffzellenstapel 10 oder der COD-Heizvorrichtung 40 zuführen. Die Kühlmittelzufuhrpumpe 30 kann die Durchflussmenge des Kühlmittels steuern.
  • Die COD-Heizvorrichtung 40 kann bei Bedarf die Temperatur des Kühlmittels erhöhen oder den im Brennstoffzellenstapel 10 erzeugten Strom aufnehmen, um ihn als Wärme abzugeben und die Spannung des Brennstoffzellenstapels 10 zu verringern. Insbesondere dann, wenn bei ein- oder ausgeschaltetem Brennstoffzellensystem kontinuierlich regenerativ gebremst wird und der Ladezustand (SOC) einer Batterie 200 ausreichend ist, kann die COD-Heizvorrichtung 40 betrieben werden, um den vom Brennstoffzellenstapel 10 erzeugten elektrischen Strom aufzunehmen. Darüber hinaus kann die COD-Heizvorrichtung 40 den beim Rückgewinnungsbremsen des Fahrzeugs erzeugten elektrischen Strom aufnehmen, wenn der Ladezustand der Batterie 200 ausreichend ist.
  • Die COD-Heizvorrichtung 40 kann mit einem bipolaren Transistor mit isoliertem Gate (IGBT) 41 zur Steuerung des Ausgangs der COD-Heizvorrichtung 40, einem Heizelement 42 und einem COD-Controller 45 versehen sein. Die COD-Heizvorrichtung 40 kann mit einem Sensor (nicht dargestellt) zur Messung der Temperatur der COD-Heizvorrichtung 40 versehen sein. Der COD-Controller 45 kann eine PWM-Tastverhältnisregelung als Reaktion auf den von einer Steuereinrichtung 100 ausgegebenen Befehl durchführen. Insbesondere kann der Ausgabe der COD-Heizvorrichtung 40 von der Steuereinrichtung 100 entsprechend der Spannung des Brennstoffzellenstapels 10 berechnet werden, und der COD-Controller 45 kann einen Lastwert ermitteln, der das Verhältnis zwischen der Ausgabe der COD-Heizvorrichtung 40 und der von der Steuereinrichtung 100 erhaltenen maximalen Ausgabe der COD-Heizvorrichtung 40 ist. Der IGBT 41 kann basierend auf dem von den COD-Controller 45 ermittelten Lastwert gesteuert werden.
  • Das Öffnen und Schließen des Ventils 50 kann für einen Steuerungsmodus des Brennstoffzellensystems gesteuert werden. Das Ventil 50 kann ein 5-Wege-Ventil sein. Das Kühlmittel kann vom Brennstoffzellenstapel 10, dem Kühler 20, der COD-Heizvorrichtung 40 und dem Ionenfilter 70 zum Ventil 50 und vom Ventil 50 zur Kühlmittelzufuhrpumpe 30 strömen. Die Durchflussmenge und die Durchflussrichtung des Kühlmittels können durch Öffnen und Schließen des Ventils 50 gesteuert werden. Insbesondere kann ein Bereich für jeden Durchgang, durch den das Kühlmittel strömt, in Abhängigkeit vom Öffnungsgrad (oder Drehwinkel) des Ventils 50 gesteuert werden. Die Steuerung des Ventils 50 kann es ermöglichen, dass das aus dem Brennstoffzellenstapel 10 abgeführte Kühlmittel durch einen Bypasskanal 80 zum Ventil 50 strömt, ohne durch den Kühler 20 hindurchzuströmen.
  • Der Heizerkern 60 kann die Wärme des Kühlmittels an eine Klimaanlage (nicht abgebildet) übertragen, um den Innenraum des Fahrzeugs zu beheizen. Der Heizerkern 60 kann am hinteren Ende der COD-Heizvorrichtung 40 angeordnet sein. Insbesondere kann der Heizerkern 60 zwischen der COD-Heizvorrichtung 40 und dem Ventil 50 angeordnet sein. Dementsprechend kann die Eintritts-Temperatur des Heizerkerns 60 durch den Ausgang der COD-Heizvorrichtung 40 beeinflusst werden.
  • Der Ionenfilter 70 kann in dem Kühlmittel enthaltene Ionen entfernen. Der Ionenfilter 70 kann Ionen aus dem von der Kühlmittelzufuhrpumpe 30 zugeführten Kühlmittel entfernen, und das Kühlmittel, aus dem die Ionen entfernt wurden, kann dem Ventil 50 zugeführt werden.
  • Die Batterie 200 kann mit der von dem Brennstoffzellenstapel 10 erzeugten Energie geladen werden. Die vom Brennstoffzellenstapel 10 erzeugte Energie kann über einen Hauptstromschienenanschluss 90 an einen Hochspannungsanschlusskasten 400 mit einem Schalter 450 übertragen werden. Der Schalter 450 kann die elektrische Verbindung zwischen dem Brennstoffzellenstapel 10 und dem Hochspannungsanschlusskasten 400 sowie die elektrische Verbindung zwischen der Batterie 200 und dem Hauptstromschienenanschluss 90 schließen oder unterbrechen.
  • Ein Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 300 kann den Ausgang der Batterie 200 in eine Spannung umwandeln, die dem Hauptstromschienenanschluss 90 zugeführt wird, oder er kann den von dem Hauptstromschienenanschluss 90 zugeführten elektrischen Strom in eine Spannung umwandeln, die zum Laden der Batterie 200 geeignet ist.
  • Ein Motor 500 kann beim Rückgewinnungsbremsen des Fahrzeugs elektrischen Strom zum Laden der Batterie 200 erzeugen. Insbesondere wenn das Fahrzeug auf einer abfallenden Straße fährt oder die Motorbremse betätigt wird, kann der Motor 500 durch Rückgewinnungsbremsen eine Bremskraft erzeugen und gleichzeitig elektrischen Strom zum Laden der Batterie 200 erzeugen.
  • Die Steuereinrichtung 100 kann die Batterie 200 elektrisch von dem Hauptstromschienenanschluss 90 trennen. Die elektrische Trennung der Batterie 200 von dem Hauptstromschienenanschluss 90 kann derart umgesetzt werden, dass die Steuereinrichtung 100 ein in der Batterie 200 vorgesehenes Relais (nicht dargestellt) steuert, um die Batterie 200 von dem Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 300 zu trennen, oder die Steuereinrichtung 100 den Schalter 450 in dem Hochspannungsanschlusskasten 400 öffnet, um die Batterie 200 elektrisch von dem Hauptstromschienenanschluss 90 zu trennen.
  • Die Steuereinrichtung 100 kann die Kühlmittelzufuhrpumpe 30, die COD-Heizvorrichtung 40 und das Ventil 50 steuern, um die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 zu steuern. Insbesondere kann die Steuereinhechtung 100 Informationen über die Betriebsdrehzahl (RPM), den Stromverbrauch und die Fehlerdiagnose der Kühlmittelzufuhrpumpe 30 empfangen und die Drehzahl (RPM) der Kühlmittelzufuhrpumpe 30 basierend auf den empfangenen Informationen steuern. Die Steuereinheit 100 kann Informationen über die Ist-Leistung, den Stromverbrauch, die Temperatur und die Fehlerdiagnose der COD-Heizvorrichtung 40 empfangen und den EIN/AUS-Betrieb und den Ausgang der COD-Heizvorrichtung 40 basierend auf den empfangenen Informationen steuern. Die Steuereinrichtung 100 kann die von den Temperatursensoren 11 und 12 empfangene Temperatur des Kühlmittels überwachen, um die Durchflussmenge und die Temperatur des Kühlmittels zu steuern. Zu diesem Zweck kann die Steuereinrichtung 100 den Öffnungsgrad des Ventils 50 steuern. Da der Öffnungsgrad des Ventils 50 gesteuert wird, kann der Öffnungsgrad jedes der fünf mit dem Ventil 50 verbundenen Anschlüsse geändert werden.
  • Beispielsweise kann die Steuereinrichtung 100 den Betrieb und die Startzeit der COD-Heizvorrichtung 40 steuern, um den von dem Brennstoffzellenstapel 10 erzeugten Strom in Abhängigkeit von dem Ladezustand der Batterie 200 und dem Betriebsabschnitt des Brennstoffzellenstapels 10 aufzunehmen. Der Betriebsbereich des Brennstoffzellenstapels 10 kann einen Kaltstartbereich, einen Temperatursteuerungsbereich und einen Hochleistungsbereich umfassen. In der vorliegenden Ausführungsform wird das Verfahren zur Steuerung der COD-Heizvorrichtung 40 im Temperatursteuerungsbereich des Brennstoffzellenstapels 10 beschrieben.
  • Beispielsweise kann die Steuereinrichtung 100 den IGBT 41 in der COD-Heizvorrichtung 40 und den Schalter 450 so steuern, dass der in dem Hauptstromschienenanschluss 90 verbleibende elektrische Strom durch das Heizelement 42 in der COD-Heizvorrichtung 40 aufgenommen wird. Wenn es schwierig ist, die Batterie 200 mit dem im Brennstoffzellenstapel 10 erzeugten Strom zu laden, kann die Steuereinrichtung 100 den im Brennstoffzellenstapel 10 erzeugten Strom mit Hilfe der COD-Heizvorrichtung 40 aufnehmen.
  • 2 ist ein Diagramm, das ein Ventilsteuerungsverfahren für einen Betriebsmodus eines Brennstoffzellenstapels gemäß der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht. In 2 bezieht sich die x-Achse auf den Drehwinkel des Ventils und die y-Achse auf den Öffnungsgrad der einzelnen an das Ventil angeschlossenen Anschlüsse.
  • Bezugnehmend auf die 1 und 2 kann der Öffnungsgrad jedes der fünf mit dem Ventil 50 verbundenen Anschlüsse geändert werden, wenn die Steuereinrichtung 100 den Öffnungsgrad des Ventils 50 steuert. Wenn der Drehwinkel des Ventils 50 zwischen 0 Grad und A Grad liegt, kann der Ionenfilter 70 vollständig geöffnet werden. Der Abschnitt, in dem der Drehwinkel des Ventils 50 zwischen 0 Grad und B Grad liegt, kann ein Kaltstartabschnitt des Brennstoffzellenstapels 10 sein. In diesem Abschnitt kann die Öffnung des Ventils 50, die mit dem Heizkörper 20 verbunden ist, geschlossen und die Öffnung des Ventils 50, die mit der COD-Heizvorrichtung 40 verbunden ist, vollständig geöffnet sein. Das heißt, im Kaltstartbereich des Brennstoffzellenstapels 10 wird die Temperatur des Kühlmittels durch die COD-Heizvorrichtung 40 erhöht.
  • Wenn der Drehwinkel des Ventils 50 zwischen B° und C° liegt, kann die mit dem Ionenfilter 70 verbundene Öffnung des Ventils 50 teilweise geöffnet werden. Zu diesem Zeitpunkt kann die mit dem Kühler 20 verbundene Öffnung des Ventils 50 teilweise geöffnet werden. Der Abschnitt, in dem der Drehwinkel des Ventils 50 zwischen B-Grad und C-Grad liegt, ist Teil des Temperatursteuerungsbereichs, kann aber auch ein Abschnitt sein, in dem bei Betrieb des Brennstoffzellenstapels 10 das Kühlmittel zum Ionenfilter 70 strömt, um dadurch den Isolationswiderstand des Brennstoffzellensystems zu steuern.
  • Wenn der Drehwinkel des Ventils 50 zwischen C° und D° liegt, kann die mit dem Kühler 20 verbundene Öffnung des Ventils 50 geöffnet und die mit dem Ionenfilter 70 verbundene Öffnung des Ventils 50 vollständig geschlossen sein. Wenn das heiße Kühlmittel in den Ionenfilter 70 strömt, kann sich die Haltbarkeit des Ionenfilters 70 verringern. Dementsprechend kann im Temperatursteuerungsbereich des Brennstoffzellenstapels 10 das heiße Kühlmittel nicht in den Ionenfilter 70 strömen, wodurch die Haltbarkeit des Ionenfilters 70 gewährleistet wird.
  • Der Bereich, in dem der Drehwinkel des Ventils 50 zwischen B-Grad und D-Grad liegt, kann als Temperatursteuerungsbereich des Brennstoffzellenstapels 10 definiert werden. Im Temperatursteuerungsbereich des Brennstoffzellenstapels 10 kann die Öffnung des mit der COD-Heizvorrichtung 40 verbundenen Ventils 50 offen gehalten werden. Das heißt, das Kühlmittel kann auch bei normaler Fahrt in die COD-Heizvorrichtung 40 einströmen. Das heißt, die Steuereinrichtung 100 kann das Ventil 50 so steuern, dass das Kühlmittel nach dem Kaltstartabschnitt des Brennstoffzellenstapels 10 zu der COD-Heizvorrichtung 40 im Temperatursteuerungsbereich strömt, um auch während der Fahrt Strom über die COD-Heizvorrichtung 40 aufzunehmen.
  • In der obigen Beschreibung können D-Grade größer als C-Grade, C-Grade größer als B-Grade und B-Grade größer als A-Grade sein.
  • In der vorliegenden Ausführungsform kann der Anschluss des Ventils 50, der mit der COD-Heizvorrichtung 40 verbunden ist, geöffnet werden, so dass das Kühlmittel zu der COD-Heizvorrichtung 40 im Temperatursteuerungsbereich nach dem Kaltstartabschnitt des Brennstoffzellenstapels 10 strömt. Dementsprechend kann es möglich sein, die COD-Heizvorrichtung 40 so zu steuern, dass sie den durch das Rückgewinnungsbremsen des Fahrzeugs erzeugten Strom aufnimmt.
  • 3 ist ein Flussdiagramm, das ein Steuerungsverfahren des Brennstoffzellensystems veranschaulicht, wenn der erforderliche Betrag der Stromerzeugung des Brennstoffzellenstapels gemäß der vorliegenden Ausführungsform Null ist.
  • Wie in den 1 bis 3 dargestellt, kann die Steuereinrichtung 100 die obere Spannungsgrenze des Brennstoffzellenstapels 10 begrenzen, wenn die erforderliche Stromerzeugung des Brennstoffzellenstapels 10 gleich 0 ist. Da die obere Spannungsgrenze des Brennstoffzellenstapels 10 begrenzt ist, kann verhindert werden, dass die Spannung des Brennstoffzellenstapels 10 zu einer Unterbrechungsspannung (OCV) wird. Wenn die erforderliche Stromerzeugung des Brennstoffzellenstapels 10 gleich 0 ist, kann dies auf eine Situation hindeuten, in der der Brennstoffzellenstapel 10 nach dem Kaltstart nicht betrieben werden muss. Wenn beispielsweise die erforderliche Stromerzeugung des Brennstoffzellenstapels 10 gleich 0 ist, kann dies einen Leerlauf-Stoppzustand, den Zustand, in dem das Fahrzeug auf der abfallenden Straße fährt, ohne ein Gaspedal zu betätigen, oder ähnliches signalisieren (S 10).
  • Wenn die erforderliche Stromerzeugung des Brennstoffzellenstapels 10 gleich 0 ist, kann die Steuereinrichtung100 den Brennstoffzellenstapel 10 mit einem Netto-Ausgang betreiben, anstatt den Brennstoffzellenstapel 10 im Hinblick auf die Haltbarkeit des Brennstoffzellenstapels 10 anzuhalten. Um den Brennstoffzellenstapel 10 mit eine Netto-Ausgang zu betreiben, kann die Steuereinrichtung 100 einen Luftkompressor (nicht dargestellt) mit der niedrigsten Drehzahl (RPM) betreiben, wobei der Luftkompressor dazu dient, den Brennstoffzellenstapel 10 mit Sauerstoff zu versorgen. Der Netto-Ausgang des Brennstoffzellenstapels 10 kann sich beispielsweise auf einen Wert beziehen, der sich aus der Subtraktion einer Zusatzeinrichtungen-Verbrauchsleistung von dem Wert ergibt, der sich aus der Multiplikation der oberen Spannungsgrenze des Brennstoffzellenstapels 10, der Reaktionsfläche des Brennstoffzellenstapels 10, der Anzahl der gestapelten Zellen und der Stromdichte an der oberen Spannungsgrenze des Brennstoffzellenstapels 10 ergibt. Die Zusatzeinrichtungen-Verbrauchsleistung kann eine Leistung sein, die von den einzelnen Vorrichtungen des Brennstoffzellensystems mit Ausnahme des Brennstoffzellenstapels 10 verbraucht wird. Die Zusatzeinrichtungen können beispielsweise alle Pumpen (nicht dargestellt) zur Versorgung des Brennstoffzellenstapels 10 mit Sauerstoff und Brennstoff umfassen, zusätzlich zu der Kühlmittelzufuhrpumpe 30, der COD-Heizvorrichtung 40, dem Ventil 50, dem Heizerkern 60 und dem Ionenfilter 70. Anders gesagt, der Netto-Ausgang des Brennstoffzellenstapels 10 kann sich auf einen Wert beziehen, der sich aus der Subtraktion der Zusatzeinrichtungen-Verbrauchsleistungen, d. h. dem von den einzelnen Hochspannungskomponenten des Brennstoffzellensystems verbrauchten Ausgang, von dem Ausgang an der oberen Spannungsgrenze des Brennstoffzellenstapels 10 (S20) ergibt.
  • Die Steuereinrichtung 100 kann den Ladezustand der Batterie 200 überwachen. Wenn der Ladezustand der Batterie 200 gleich oder höher als ein voreingestellter Wert ist, kann die Steuereinrichtung 100 das Laden der Batterie 200 nicht veranlassen (S30).
  • Wenn der Ladezustand der Batterie 200 unter dem voreingestellten Wert liegt, kann die Steuereinrichtung 100 veranlassen, dass die Batterie 200 mit dem von dem Netto-Ausgang des Brennstoffzellenstapels 10 erzeugten Strom geladen wird (S40).
  • Wenn der Ladezustand der Batterie 200 gleich oder höher als der voreingestellte Wert ist, kann die Steuereinrichtung 100 die COD-Heizvorrichtung 40 so steuern, dass sie einen Ausgang erzeugt, der dem Netto-Ausgang des Brennstoffzellenstapels entspricht 10. Wenn der Ladezustand der Batterie 200 gleich oder höher als der voreingestellte Wert ist, darf dem Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 300 kein Strom zugeführt werden. Dementsprechend kann die Steuereinrichtung 100 die COD-Heizvorrichtung 40 einschalten, um den durch den Netto-Ausgang des Brennstoffzellenstapels 10 erzeugten Strom aufzunehmen (S50).
  • Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann der von dem Brennstoffzellenstapel 10 erzeugte Strom von der COD-Heizvorrichtung 40 aufgenommen werden, ohne dass der Brennstoffzellenstapel 10 angehalten werden muss, selbst wenn nach dem Kaltstart des Brennstoffzellenstapels 10 keine Stromerzeugung erforderlich ist. Dadurch kann verhindert werden, dass die Haltbarkeit des Brennstoffzellenstapels 10 durch häufiges Anhalten und Betreiben des Brennstoffzellenstapels 10 beeinträchtigt wird.
  • 4 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Steuerung der COD-Heizvorrichtung veranschaulicht, bevor das Fahrzeug in die abfallende Straße einfährt, wie es in der vorliegenden Offenbarung beschrieben ist.
  • Bezugnehmend auf die 1 und 4 kann die Steuereinrichtung 100 den Zeitpunkt vorhersagen, zu dem das Fahrzeug in die abfallende Straße einfährt, und zwar basierend auf den Informationen, die es von einem GPS-Gerät erhält, das nach der Fahrstrecke des Fahrzeugs sucht. Das GPS-Gerät kann am Fahrzeug angebracht werden. Wenn das Gaspedal nicht betätigt wird, während das Fahrzeug auf einer abfallenden Straße fährt, kann der Motor 500 ein Rückgewinnungsbremsen durchführen. Darüber hinaus kann die Steuereinrichtung 100 basierend auf Informationen wie der aktuellen Fahrzeuggeschwindigkeit und der Straßenneigung eine Zeit vorhersagen, die das Fahrzeug auf der abfallenden Straße verbringt (S 100).
  • Die Steuereinrichtung 100 kann die bei Bergabfahrten zu erzeugende Rückgewinnungsenergie und die wiederaufladbare Energie anhand des Ladezustands der Batterie 200 berechnen. Die Rückgewinnungsenergie kann basierend auf der voraussichtlichen Fahrzeit bei Bergabfahrten und dem Rückgewinnungsstromausgang des Fahrzeugs berechnet werden. Die wiederaufladbare Energie kann basierend auf dem aktuellen Ladezustand der Batterie 200 (S110) berechnet werden.
  • Die Steuereinrichtung 100 kann die Rückgewinnungsenergie mit der Summe der wiederaufladbaren Energie und der Zusatzeinrichtungen-Verbrauchsenergie vergleichen. Die Steuereinrichtung 100 kann basierend auf dem Vergleich zwischen der Rückgewinnungsenergie und der Summe der wiederaufladbaren Energie und der Zusatzeinrichtungen-Verbrauchsenergie (S120) entscheiden, ob die COD-Heizvorrichtung 40 eingeschaltet werden soll, bevor das Fahrzeug auf die abfallende Straße fährt.
  • Die Steuereinrichtung 100 kann die COD-Heizvorrichtung 40 ausschalten, wenn die Rückgewinnungsenergie geringer ist als die Summe aus der wiederaufladbaren Energie und der Zusatzeinrichtungen-Verbrauchsenergie. Wenn die Rückgewinnungsenergie geringer ist als die Summe der wiederaufladbaren Energie und der Zusatzeinrichtungen-Verbrauchsenergie, kann dies darauf hindeuten, dass die Batterie 200 mit der durch das Rückgewinnungsbremsen des Motors 500 erzeugten Energie aufgeladen werden kann. In diesem Fall ist es möglich, eine Bremskraft zur Aufrechterhaltung der Geschwindigkeit des Fahrzeugs nur durch Rückgewinnungsbremsen des Fahrzeugs (S130) sicherzustellen.
  • Wenn die Rückgewinnungsenergie gleich oder größer ist als die Summe der wiederaufladbaren Energie und der Zusatzeinrichtungen-Verbrauchsenergie, kann die Steuereinrichtung 100 bestimmen, ob die COD-Heizvorrichtung 40 eingeschaltet werden soll, bevor das Fahrzeug in die abfallende Straße einfährt, und zwar basierend auf dem Vergleich zwischen den Werten, die durch Subtraktion der Summe der wiederaufladbaren Energie und der Zusatzeinrichtungen-Verbrauchsenergie von der COD-Verbrauchsenergie, die von der COD-Heizvorrichtung 40 aufgenommen wird, und der Rückgewinnungsenergie erhalten werden, während das Fahrzeug auf der abfallenden Straße fährt. Die COD-Verbrauchsenergie kann als ein Wert berechnet werden, der sich aus der Multiplikation des maximalen Ausgangs der COD-Heizvorrichtung 40 mit der voraussichtlichen Fahrzeit des Fahrzeugs auf der abfallenden Straße (S 140) ergibt.
  • Wenn die COD-Verbrauchsenergie unter einem Wert liegt, der sich aus der Subtraktion der Summe der wiederaufladbaren Energie und der Zusatzeinrichtungen-Verbrauchsenergie von der Rückgewinnungsenergie ergibt, kann die Steuereinrichtung 100 die COD-Heizvorrichtung 40 einschalten, bevor das Fahrzeug auf die abfallende Straße fährt. Die Steuereinrichtung100 kann den Zeitpunkt des Einschaltens der COD-Heizvorrichtung 40 und der Ausgang der COD-Heizvorrichtung 40 bestimmen, um die COD-Heizvorrichtung 40 im Voraus einzuschalten. Die Steuereinrichtung 100 kann die COD-Heizvorrichtung 40 so steuern, dass sie vor dem Einfahren des Fahrzeugs in die abfallende Straße COD-Vorverbrauchsenergie aufnimmt, d. h. einen Wert, der sich aus der Subtraktion der Summe der wiederaufladbaren Energie, der Zusatzeinrichtungen-Verbrauchsenergie und der COD-Verbrauchsenergie von der Rückgewinnungsenergie ergibt. Das heißt, die Steuereinrichtung 100 kann die COD-Heizvorrichtung 40 so betreiben, dass sie die COD-Vorverbrauchsenergie aufnimmt. Darüber hinaus kann die Steuereinrichtung 100 die Vorlaufzeit für den COD-Betrieb berechnen, indem es die COD-Vorverbrauchsenergie durch den maximalen Ausgangs der COD-Heizvorrichtung 40 dividiert. Die Steuereinrichtung 100 kann die COD-Heizvorrichtung 40 zu einem Zeitpunkt einschalten, der vor dem Zeitpunkt liegt, an dem das Fahrzeug voraussichtlich in die abfallende Straße einfährt, und zwar um die vorhergehende Zeit für den COD-Betrieb. Infolgedessen kann die Steuereinrichtung 100 die COD-Heizvorrichtung 40 zu dem Zeitpunkt betreiben, der dem Zeitpunkt vorausgeht, an dem das Fahrzeug voraussichtlich in die abfallende Straße einfährt, und zwar um die vorausgehende Zeit für den COD-Betrieb, wodurch die COD-Vorverbrauchsenergie aufgenommen wird. Dadurch kann das Fahrzeug auch bei hohem Ladezustand der Batterie 200 (S 150 und S160) eine Nutzbremsung durchführen.
  • Die Steuereinrichtung 100 kann überprüfen, ob das Fahrzeug in die abfallende Straße einfährt. Die Steuereinrichtung 100 kann die Betriebszeit und der Ausgang der COD-Heizvorrichtung 40 steuern, indem es kontinuierlich die COD-Vorverbrauchsenergie und die vorangehende Zeit für den COD-Betrieb berechnet, bis das Fahrzeug in die abfallende Straße einfährt (S 170).
  • Auch nach dem Einfahren des Fahrzeugs in die abfallende Straße können sich der Ladezustand der Batterie 200 und die durch Energierückgewinnung erzeugte Energie je nach Geschwindigkeit des Fahrzeugs und der Straßenneigung ändern. Dementsprechend steuert die Steuereinrichtung 100 die Betriebszeit der COD-Heizvorrichtung 40 und der Ausgangs der COD-Heizvorrichtung 40 so, dass der Ladezustand der Batterie 200 auch nach dem Einfahren des Fahrzeugs in die abfallende Straße (S 180) nicht an eine Grenze stößt.
  • Nach der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, Rückgewinnungsbremsen des Fahrzeugs ist erforderlich, um die Geschwindigkeit des Fahrzeugs ohne Eingriff der Bremse zu halten, während das Fahrzeug auf der Straße bergab fährt. Um während der Fahrt auf der abfallenden Straße kontinuierlich ein Rückgewinnungsbremsen durchzuführen, kann die Steuereinrichtung 100 die COD-Heizvorrichtung 40 betreiben, bevor das Fahrzeug in die abfallende Straße einfährt, um den Ladezustand der Batterie 200 im Voraus zu senken. Wenn der Ladezustand der Batterie 200 hoch ist, ist ein Rückgewinnungsbremsen möglicherweise nicht möglich, aber die Steuereinrichtung 100 kann die COD-Heizvorrichtung 40 veranlassen, die in der Batterie 200 geladene Energie aufzunehmen, um kontinuierlich ein Rückgewinnungsbremsen durchzuführen. Auf diese Weise kann der Eingriff der Bremse eingeschränkt werden, ohne dass ein Rückgewinnungsbremsen erfolgt, wenn das Fahrzeug auf einer abfallenden Straße fährt.
  • 5 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Steuerung der COD-Heizvorrichtung veranschaulicht, nachdem das Fahrzeug in die abfallende Straße einfährt, wie es in der vorliegenden Offenbarung beschrieben ist.
  • Um eine Situation auszuschließen, in der die Bremse betätigt werden muss, wenn der Ladezustand der Batterie 200 einen Grenzwert erreicht, nachdem das Fahrzeug in die abfallende Straße eingefahren ist, kann die Steuereinrichtung 100 die Betriebszeit der COD-Heizvorrichtung 40 bestimmen, indem es der Rückgewinnungsstromausgang mit dem maximalen Ausgang der COD-Heizvorrichtung 40 vergleicht (siehe 1, 4 und 5). Der Rückgewinnungsstromausgang kann ein Ausgang sein, der durch Rückgewinnungsbremsen des Motors 500 erzeugt wird, und der maximale Ausgang der COD-Heizvorrichtung 40 kann ein maximaler Ausgang für die Spannung des Brennstoffzellenstapels 10 (S200) sein.
  • Wenn die COD-Heizvorrichtung 40 eingeschaltet wird, bevor das Fahrzeug in die abfallende Straße einfährt, und der Rückgewinnungsstromausgang den maximalen Ausgang der COD-Heizvorrichtung 40 übersteigt, kann die Steuereinrichtung 100 die COD-Heizvorrichtung 40 mit maximalem Ausgang betreiben. Bevor das Fahrzeug in die abfallende Straße einfährt, wird die COD-Heizvorrichtung 40 mit einem Ausgang betrieben, die die COD-Vorverbrauchsenergie aufnimmt. Dementsprechend kann die Steuereinrichtung 100 den Ausgang der COD-Heizvorrichtung 40 auf den maximalen Ausgang erhöhen. Die COD-Vorverbrauchsenergie kann kleiner oder gleich der Energie sein, die durch den maximalen Ausgang der COD-Heizvorrichtung 40 aufgenommen wird. Wenn der Rückgewinnungsstromausgang den maximalen Ausgang der COD-Heizvorrichtung 40 übersteigt, kann dies ein Hinweis darauf sein, dass die COD-Heizvorrichtung 40 nicht die gesamte durch den Rückgewinnungsstromausgang erzeugte Energie aufnimmt. Da die COD-Heizvorrichtung 40 jedoch die in der Batterie 200 gespeicherte Energie ebenso wie die COD-Vorverbrauchsenergie verbraucht hat, bevor das Fahrzeug in die abfallende Straße einfährt, kann die Batterie 200 mit der Energie geladen werden, die sich ergibt, wenn man die durch den maximalen Ausgangs der COD-Heizvorrichtung 40 verbrauchte Energie von der durch den Rückgewinnungsstromausgang erzeugten Energie abzieht. Daher kann das Fahrzeug während der Fahrt auf der abfallenden Straße (S210 und S220) kontinuierlich Rückgewinnungsbremsen ohne Bremseneingriff durchführen.
  • Wenn die COD-Heizvorrichtung 40 ausgeschaltet ist, bevor das Fahrzeug in die abfallende Straße einfährt, und der Rückgewinnungsstromausgang den maximalen Ausgang der COD-Heizvorrichtung 40 übersteigt, kann die Steuereinrichtung 100 die COD-Heizvorrichtung 40 einschalten und die COD-Heizvorrichtung 40 mit einem maximalen Ausgang betreiben. Wenn der Rückgewinnungsstromausgang den maximalen Ausgang der COD-Heizvorrichtung 40 übersteigt, kann dies ein Hinweis darauf sein, dass die COD-Heizvorrichtung 40 nicht die gesamte durch den Rückgewinnungsstromausgang erzeugte Energie aufnimmt. Da jedoch zusätzliche Energie in der Batterie 200 gespeichert werden kann, bevor das Fahrzeug in die abfallende Straße einfährt, kann die Batterie 200 mit der Energie aufgeladen werden, die durch Subtrahieren der durch den maximalen Ausgang der COD-Heizvorrichtung 40 verbrauchten Energie von der durch den Rückgewinnungsstromausgang erzeugten Energie gewonnen wird. Daher kann das Fahrzeug während der Fahrt auf der abfallenden Straße (S230 und S240) kontinuierlich Rückgewinnungsbremsen ohne Bremseneingriff durchführen.
  • Wenn die COD-Heizvorrichtung 40 eingeschaltet wird, bevor das Fahrzeug in die abfallende Straße einfährt, und der Rückgewinnungsstromausgang kleiner oder gleich dem maximalen Ausgang der COD-Heizvorrichtung 40 ist, kann die Steuereinrichtung 100 die COD-Heizvorrichtung 40 abschalten. Bevor das Fahrzeug in die abfallende Straße einfährt, wird die COD-Heizvorrichtung 40 mit einem Ausgang betrieben, die die COD-Vorverbrauchsenergie aufnimmt. Im aktuellen Zustand des Fahrzeugs wird der gesamte durch die Stromrückgewinnung erzeugte Strom von der COD-Heizvorrichtung 40 aufgenommen. Daher kann ein kontinuierliches Rückgewinnungsbremsen des Fahrzeugs möglich sein, auch wenn die COD-Heizvorrichtung 40 ab dem Zeitpunkt betrieben wird, an dem der Ladezustand der Batterie 200 einen Grenzwert erreicht. Anders gesagt, die Steuereinrichtung 100 darf die COD-Heizvorrichtung 40 erst dann in Betrieb nehmen, wenn der Ladezustand der Batterie 200 einen Grenzwert erreicht, um die Kraftstoffeffizienz des Fahrzeugs zu verbessern (S250 und S260).
  • Wenn die COD-Heizvorrichtung 40 ausgeschaltet wird, bevor das Fahrzeug in die abfallende Straße einfährt, und der Rückgewinnungsstromausgang kleiner oder gleich dem maximalen Ausgang der COD-Heizvorrichtung 40 ist, kann die Steuereinrichtung 100 die COD-Heizvorrichtung 40 ausgeschaltet lassen. Im aktuellen Zustand des Fahrzeugs wird der gesamte durch die Stromrückgewinnung erzeugte Strom von der COD-Heizvorrichtung 40 aufgenommen. Daher kann ein kontinuierliches Rückgewinnungsbremsen des Fahrzeugs möglich sein, auch wenn die COD-Heizvorrichtung 40 ab dem Zeitpunkt betrieben wird, an dem der Ladezustand der Batterie 200 einen Grenzwert erreicht. Anders gesagt, die Steuereinrichtung 100 darf die COD-Heizvorrichtung 40 erst dann in Betrieb nehmen, wenn der Ladezustand der Batterie 200 den Grenzwert erreicht, um die Kraftstoffeffizienz des Fahrzeugs zu verbessern (S270 und S280).
  • In dem Zustand, in dem die COD-Heizvorrichtung 40 ausgeschaltet ist, kann die Batterie 200 mit dem durch Energierückgewinnung erzeugten Strom geladen werden, und der Ladezustand der Batterie 200 kann einen Grenzwert erreichen (S300).
  • Wenn der Ladezustand der Batterie 200 den Grenzwert erreicht, kann die Steuereinrichtung 100 die COD-Heizvorrichtung 40 so steuern, dass der Ausgang der COD-Heizvorrichtung 40 des Rückgewinnungsstromausgangs gleich ist. Da der Grenzwert des Ladezustands der Batterie 200 anzeigt, dass die Batterie 200 nicht vollständig geladen ist, kann die Steuereinrichtung100 die COD-Heizvorrichtung 40 steuern, wenn der Ladezustand der Batterie 200 den Grenzwert erreicht. Um eine Verschlechterung der Kraftstoffeffizienz des Fahrzeugs zu verhindern, kann die Steuereinrichtung 100 die COD-Heizvorrichtung 40 auf den gleichen Ausgang wie den Ausgang des Rückgewinnungsstromausgangs steuern, ohne den Ausgang der COD-Heizvorrichtung 40 übermäßig zu erhöhen (S310).
  • Die Steuereinrichtung 100 kann überwachen, dass das Fahrzeug die abfallende Straße verlässt. Bis das Fahrzeug die abfallende Straße verlässt, kann die Steuereinrichtung 100 kontinuierlich den Vergleich zwischen dem Ausgang des Rückgewinnungsstromausgang und dem maximalen Ausgang der COD-Heizvorrichtung sowie den Ladezustand der Batterie 200 überwachen. Die Steuereinrichtung 100 kann die COD-Heizvorrichtung 40 so steuern, dass der Ladezustand der Batterie 200 aufgrund der Stromrückgewinnung (S320) einen Grenzwert nicht überschreitet.
  • Die Steuereinrichtung 100 kann die COD-Heizvorrichtung 40 ausschalten, wenn das Fahrzeug die abfallende Straße verlässt (S330).
  • Gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist es möglich, die EIN/AUS-Zeit der COD-Heizvorrichtung 40 und den Ausgang der COD-Heizvorrichtung 40 zur Verbesserung der Kraftstoffeffizienz des Fahrzeugs zu steuern, nachdem das Fahrzeug auf die abfallende Straße gefahren ist. Es ist möglich, die Kraftstoffeffizienz des Fahrzeugs zu verbessern, indem ein übermäßiger Betrieb der COD-Heizvorrichtung 40 verhindert wird, und ein kontinuierliches Rückgewinnungsbremsen des Fahrzeugs durchzuführen, da die Betriebszeit der COD-Heizvorrichtung 40 so bestimmt wird, dass der Ladezustand der Batterie 200 den Grenzwert nicht überschreitet.
  • Die 6 und 7 sind Diagramme zur Erläuterung der Betriebszeit der COD-Heizvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform der Offenbarung. 6 veranschaulicht, dass die COD-Heizvorrichtung nicht in Betrieb ist, bevor das Fahrzeug in die abfallende Straße einfährt, und 7 veranschaulicht, dass die COD-Heizvorrichtung in Betrieb ist, bevor das Fahrzeug in die abfallende Straße einfährt. 6 veranschaulicht, dass der Rückgewinnungsstromausgang kleiner oder gleich dem maximalen Ausgang der COD-Heizvorrichtung ist, und 7 veranschaulicht, dass der Rückgewinnungsstromausgang größer als der maximale Ausgang der COD-Heizvorrichtung ist.
  • Unter Bezugnahme auf die 4 bis 6 zeigt 6 den Schritt S270 von 5. Die COD-Heizvorrichtung darf nicht in Betrieb genommen werden, bevor das Fahrzeug in die abfallende Straße einfährt, und das Rückgewinnungsbremsen des Motors kann durchgeführt werden, während das Fahrzeug in die abfallende Straße einfährt. Wenn das Fahrzeug in eine abfallende Straße einfährt, hat der Ladezustand der Batterie noch nicht den Grenzwert erreicht.
  • Die Batterie kann beim Rückgewinnungsbremsen allmählich aufgeladen werden. Wenn der Ladezustand der Batterie einen Grenzwert erreicht, schaltet die Steuereinrichtung die COD-Heizvorrichtung ein, um den durch die Stromrückgewinnung erzeugten Strom zu verbrauchen. Dementsprechend kann der Ladezustand der Batterie den Grenzwert erst erreichen, wenn das Fahrzeug die abfallende Straße verlässt.
  • Bezugnehmend auf die 4, 5 und 7 zeigt 7 den Schritt S210 von 5. Bevor das Fahrzeug in eine abfallende Straße einfährt, kann die COD-Heizvorrichtung eingeschaltet werden, um die in der Batterie geladene Energie aufzunehmen. Dementsprechend kann die Energie der Batterie mehr verbraucht werden, bevor das Fahrzeug in die abfallende Straße einfährt, verglichen mit dem Fall von 6. Wenn das Fahrzeug in eine abfallende Straße einfährt, kann der Motor ein Rückgewinnungsbremsen durchführen. Wenn das Fahrzeug in eine abfallende Straße einfährt, hat der Ladezustand der Batterie noch nicht den Grenzwert erreicht.
  • Da der Rückgewinnungsstromausgang größer ist als der maximale Ausgang der COD-Heizvorrichtung, kann die Batterie beim Rückgewinnungsbremsen allmählich aufgeladen werden. Die Steuereinrichtung kann veranlassen, dass die COD-Heizvorrichtung mit maximalem Ausgang betrieben wird, um einen Teil den durch die Stromrückgewinnung erzeugten Strom zu verbrauchen. Da die COD-Heizvorrichtung den in der Batterie geladenen Strom bereits verbraucht, bevor das Fahrzeug in die abfallende Straße einfährt, kann der Ladezustand der Batterie den Grenzwert erst erreichen, wenn das Fahrzeug die abfallende Straße verlässt.
  • 8 ist ein Diagramm, das ein Steuerungssystem für eine COD-Heizvorrichtung zur Unterstützung der Beheizung des Fahrzeuginnenraums gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung. 9 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Steuerung der COD-Heizvorrichtung zur Unterstützung der Beheizung des Fahrzeuginnenraums gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht. Zur Vereinfachung der Beschreibung wird im Folgenden auf eine redundante Beschreibung verzichtet.
  • Unter Bezugnahme auf die 1, 8 und 9 kann die Steuereinrichtung 100 die Eintritts-Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 über den ersten Temperatursensor 11 überprüfen. Die Steuereinrichtung 100 kann die Eintritts-Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 mit der erforderlichen Temperatur des Heizerkerns 60 vergleichen. Die erforderliche Temperatur des Heizerkerns 60 kann basierend auf dem von einem Klimaanlagen-Steuergerät 600 empfangenen Signal zur Beheizung des Fahrzeuginnenraums berechnet werden. Das Klimaanlagen-Steuergerät 600 kann die erforderliche Temperatur des Heizerkerns 60 an die Steuereinrichtung 100 für eine von den Fahrzeuginsassen gewünschte Innenraumtemperatur übermitteln (S400).
  • Wenn die Eintritts-Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 gleich oder höher ist als die erforderliche Temperatur des Heizerkerns 60, kann das Klimaanlagen-Steuergerät 600 den Ausgang einer PTC-Heizvorrichtung 700 steuern. Der Ausgang der PTC-Heizvorrichtung 700 kann ein Wert sein, der sich aus der Subtraktion der Wärmemenge, die vom Heizerkern 60 geliefert wird, von der erforderlichen Wärmemenge ergibt. Die erforderliche Heizmenge kann eine vom Klimaanlagen-Steuergerät 600 für die vom Fahrzeuginsassen gewünschte Innenraumtemperatur berechnete Wärmemenge sein. Das heißt, die erforderliche Heizleistung kann berechnet werden, indem die vom Heizerkern 60 zugeführte Wärmemenge zum Ausgang der PTC-Heizvorrichtung 700 addiert wird. Die vom Heizerkern 60 zugeführte Wärmemenge kann anhand der Eintritts-Temperatur des Heizerkerns 60, der Eintritts-Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 und der Wärmeübertragungseffizienz des Heizerkerns 60 berechnet werden. Die Steuereinrichtung 100 kann die Eintritts-Temperatur des Heizerkerns 60 anhand der Eintritts-Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10, des Ausgangs der COD-Heizvorrichtung 40, der spezifischen Wärme des Kühlmittels, der Dichte des Kühlmittels und der Durchflussmenge des Kühlmittels überprüfen. Die Eintritts-Temperatur des Heizerkerns 60 kann berechnet werden, indem die Eintritts-Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 zu einem Wert addiert wird, den man erhält, indem man der Ausgang der COD-Heizvorrichtung 40 durch das Produkt aus der spezifischen Wärme des Kühlmittels, der Dichte des Kühlmittels und der Durchflussmenge des Kühlmittels dividiert. Die vom Heizerkern 60 zugeführte Wärmemenge kann berechnet werden, indem die Differenz zwischen der Eintritts-Temperatur des Heizerkerns 60 und der Eintritts-Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 mit dem Wärmeübertragungswirkungsgrad des Heizerkerns 60, der spezifischen Wärme des Kühlmittels, der Dichte des Kühlmittels und der Durchflussmenge des Kühlmittels (S410) multipliziert wird.
  • Wenn die Eintritts-Temperatur des Brennstoffzellenstapels 10 kleiner oder gleich der erforderlichen Temperatur des Heizerkerns 60 ist, kann das Klimaanlagen-Steuergerät 600 einen Befehl zum Einschalten der COD-Heizvorrichtung 40 an die Steuereinrichtung 100 senden. Die Steuereinrichtung 100 kann die COD-Heizvorrichtung 40 als Reaktion auf den vom Klimaanlagen-Steuergerät 600 empfangenen Befehl einschalten. Die Steuereinrichtung 100 kann die COD-Heizvorrichtung 40 betreiben, um die für den Heizerkern 60 erforderliche Temperatur des Kühlmittels sicherzustellen (S420).
  • Die Steuereinrichtung 100 kann die Eintritts-Temperatur des Heizerkerns 60 mit der erforderlichen Temperatur des Heizerkerns 60 vergleichen, um den Ausgang der COD-Heizvorrichtung 40 zu bestimmen. Wenn die Eintritts-Temperatur des Heizerkerns 60 gleich oder höher als die erforderliche Temperatur des Heizerkerns 60 ist, kann die Steuereinrichtung 100 feststellen, dass es nicht notwendig ist, den Ausgang der COD-Heizvorrichtung 40 zu erhöhen. Dementsprechend kann das Klimaanlagen-Steuergerät 600 den Ausgang der PTC-Heizvorrichtung 700 steuern, ohne den Ausgang der COD-Heizvorrichtung 40 zu steuern, um die vom Insassen gewünschte Heiztemperatur einzustellen (S430).
  • Wenn die Eintritts-Temperatur des Heizerkerns 60 kleiner oder gleich der erforderlichen Temperatur des Heizerkerns 60 ist, kann das Klimaanlagen-Steuergerät 600 einen Befehl zur Erhöhung des Ausgangs der COD-Heizvorrichtung 40 an die Steuereinrichtung 100 senden. Die Steuereinrichtung 100 kann den Ausgang der COD-Heizvorrichtung 40 als Reaktion auf den vom Klimaanlagen-Steuergerät 600 empfangenen Befehl erhöhen. Das heißt, die Steuereinrichtung 100 kann den Ausgang der COD-Heizvorrichtung 40 erhöhen, um die Eintritts-Temperatur des Heizerkerns 60 zu erhöhen (S440).
  • Gemäß des Ausführungsbeispiels der vorliegenden Offenbarung kann die Steuerung des Ausgangs der COD-Heizvorrichtung 40 zur Erhöhung der Eintritts-Temperatur des Heizerkerns 60 für das Klimaanlagen-Steuergerät 600 hilfreich sein, um die von den Fahrzeuginsassen gewünschte Heiztemperatur einzustellen. Da die Erhöhung des Ausgangs der COD-Heizvorrichtung 40 die Eintritts-Temperatur des Heizerkerns 60 erhöht, kann der Heizerkern 60 die Funktion der PTC-Heizvorrichtung 700 unterstützen.
  • 10 ist ein Flussdiagramm, das das Verfahren zur Steuerung des Ventils zur Sicherstellung der Haltbarkeit des Ionenfilters gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung veranschaulicht.
  • Bezugnehmend auf die 1, 2 und 10, kann die Steuereinrichtung 100 einen Isolationswiderstand des Brennstoffzellensystems messen. Das Brennstoffzellensystem kann mit einem Isolationswiderstandsmessgerät (nicht dargestellt) zur Messung des Isolationswiderstands versehen sein. Die Steuereinrichtung 100 kann den Isolationswiderstand des Brennstoffzellensystems mit einem voreingestellten erforderlichen Widerstand für die Spannung des Brennstoffzellenstapels 10 vergleichen. Typischerweise sollte der Isolationswiderstand des Brennstoffzellensystems größer sein als der für die Spannung des Brennstoffzellenstapels 10 (S500) erforderliche Widerstand.
  • Wenn der Isolationswiderstand des Brennstoffzellensystems geringer ist als der für die Spannung des Brennstoffzellenstapels 10 erforderliche Widerstand, kann die Steuereinrichtung 100 die Leistung des Brennstoffzellenstapels 10 begrenzen und den Öffnungsgrad des Ventils 50 zwangsweise steuern. Das heißt, die Steuereinrichtung 100 kann den Öffnungsgrad des Ventils 50 so steuern, dass ein Teil des Kühlmittels zum Ionenfilter 70 strömt. Der Ausgang des Brennstoffzellenstapels 10 kann unter einer voreingestellten Bedingung begrenzt werden. Im Allgemeinen kann die Leitfähigkeit der Kühlflüssigkeit mit zunehmender Ionenmenge ansteigen, und mit zunehmender Leitfähigkeit der Kühlflüssigkeit kann der Isolationswiderstand abnehmen. Wenn das Kühlmittel in den Ionenfilter 70 strömt, kann die Menge der im Kühlmittel enthaltenen Ionen reduziert werden, wodurch sich der Isolationswiderstand des Brennstoffzellensystems erhöht (S510).
  • Nach der Steuerung des Öffnungsgrads des Ventils 50 kann die Steuereinrichtung 100 den Isolationswiderstand des Brennstoffzellensystems mit einem Wert vergleichen, der sich aus der Multiplikation des für die Spannung des Brennstoffzellenstapels 10 erforderlichen Widerstands mit einer Toleranz ergibt. Die Toleranz kann zum Beispiel größer als 1 sein. Die Steuereinrichtung 100 kann den Isolationswiderstand mit einem Wert vergleichen, der sich aus der Multiplikation des erforderlichen Widerstands mit der Toleranz ergibt, um häufige Änderungen des Öffnungsgrads des Ventils 50 zu verhindern (S520).
  • Wenn der Isolationswiderstand des Brennstoffzellensystems kleiner ist als der Wert, der sich aus der Multiplikation des erforderlichen Widerstands für die Spannung des Brennstoffzellenstapels 10 mit der Toleranz ergibt, kann die Steuereinrichtung 100 die Begrenzung des Ausgangs des Brennstoffzellenstapels 10 aufheben und den Öffnungsgrad des Ventils 50 für einen Temperatursteuerungsmodus steuern. Das heißt, wenn der Isolationswiderstand des Brennstoffzellensystems auf einen normalen Wert ansteigt, kann die Steuereinrichtung 100 das Ventil 50 basierend auf der Steuerlogik des Temperatursteuerungsbereichs des Brennstoffzellenstapels 10 (S530) steuern.
  • Nach der vorliegenden Ausführungsform kann die Steuerung so erfolgen, dass das Kühlmittel zum Ionenfilter 70 strömt, um den für das Brennstoffzellensystem erforderlichen Isolationswiderstand zu erfüllen. Die Haltbarkeit des Ionenfilters 70 kann dadurch sichergestellt werden, dass das Kühlmittel nur dann zum Ionenfilter 70 strömt, wenn der Isolationswiderstand des Brennstoffzellensystems geringer ist als der erforderliche Widerstand. Darüber hinaus kann die Isolierleistung des Systems durch den Durchfluss des Kühlmittels zum Ionenfilter 70 sichergestellt werden.
  • Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, kann der vom Brennstoffzellenstapel erzeugte Strom nach dem Kaltstart des Brennstoffzellenstapels von der COD-Heizvorrichtung aufgenommen werden, ohne dass der Brennstoffzellenstapel gestoppt werden muss, selbst wenn die Stromerzeugung des Brennstoffzellenstapels nicht erforderlich ist. Dadurch kann verhindert werden, dass die Haltbarkeit des Brennstoffzellenstapels durch häufiges Anhalten und Betätigen des Brennstoffzellenstapels beeinträchtigt wird.
  • Nach der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, Rückgewinnungsbremsen des Fahrzeugs ist erforderlich, um die Geschwindigkeit des Fahrzeugs ohne Eingriff der Bremse zu halten, während das Fahrzeug auf der Straße bergab fährt. Um während der Fahrt auf der abfallenden Straße kontinuierlich ein Rückgewinnungsbremsen durchzuführen, kann die Steuereinrichtung die COD-Heizvorrichtung betreiben, bevor das Fahrzeug in die abfallende Straße einfährt, um den Ladezustand der Batterie im Voraus zu senken. Wenn der Ladezustand der Batterie hoch ist, ist ein Rückgewinnungsbremsen möglicherweise nicht möglich, aber die Steuereinrichtung kann die COD-Heizvorrichtung veranlassen, die in der Batterie geladene Energie aufzunehmen, um kontinuierlich ein Rückgewinnungsbremsen durchzuführen. Auf diese Weise kann der Eingriff der Bremse eingeschränkt werden, ohne dass ein Rückgewinnungsbremsen erfolgt, wenn das Fahrzeug auf einer abfallenden Straße fährt.
  • Gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist es möglich, die EIN/AUS-Zeit der COD-Heizvorrichtung und den Ausgang der COD-Heizvorrichtung zur Verbesserung der Kraftstoffeffizienz des Fahrzeugs zu steuern, nachdem das Fahrzeug auf die abfallende Straße gefahren ist. Es ist möglich, die Kraftstoffeffizienz des Fahrzeugs zu verbessern, indem ein übermäßiger Betrieb der COD-Heizvorrichtung verhindert wird, und ein kontinuierliches Rückgewinnungsbremsen des Fahrzeugs durchzuführen, da die Betriebszeit der COD-Heizvorrichtung so bestimmt wird, dass der Ladezustand der Batterie den Grenzwert nicht überschreitet.
  • Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann die Steuerung des Ausgangs der COD-Heizvorrichtung zur Erhöhung der Eintritts-Temperatur des Heizerkerns für das Klimaanlagen-Steuergerät hilfreich sein, um die von den Fahrzeuginsassen gewünschte Heiztemperatur einzustellen. Da die Erhöhung des Ausgangs der COD-Heizvorrichtung die Eintritts-Temperatur des Heizerkerns erhöht, kann der Heizerkern die Funktion der PTC-Heizvorrichtung unterstützen.
  • Obwohl die vorliegende Offenbarung unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, versteht der Fachmann, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Wesen und Bereich oder den wesentlichen Merkmalen der Offenbarung abzuweichen. Es versteht sich, dass die oben beschriebenen Ausführungsformen nur zur Veranschaulichung aller Ausführungsformen gedacht sind und den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht beschränken sollen.

Claims (20)

  1. Brennstoffzellensystem, umfassend: einen Kühler, der dazu eingerichtet ist, Wärme mit dem von einem Brennstoffzellenstapel abgegebenen Kühlmittel auszutauschen; eine Kühlmittelzufuhrpumpe, die dazu eingerichtet ist, dem Brennstoffzellenstapel das Kühlmittel zuzuführen; eine COD-Heizvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, von dem Brennstoffzellenstapel erzeugten elektrischen Strom aufzunehmen; ein Ventil, das mit dem Brennstoffzellenstapel, dem Kühler, der Kühlmittelzufuhrpumpe und der COD-Heizvorrichtung verbunden ist, um einen Durchfluss des Kühlmittels zu steuern; und eine Steuereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, eine Betriebsstartzeit und den Ausgang der COD-Heizvorrichtung zu steuern, um von dem Brennstoffzellenstapel gewonnene Energie in Abhängigkeit von einem Ladezustand (SOC) einer Batterie und einem Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels aufzunehmen; wobei die Steuereinrichtung dazu eingerichtet ist, das Ventil so zu steuern, dass das Kühlmittel in einem Temperatursteuerungsbereich nach einem Kaltstartbereich des Brennstoffzellenstapels zu der COD-Heizvorrichtung strömt.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei: wenn der Brennstoffzellenstapel eine erforderliche Null-Stromerzeugung aufweist, begrenzt die Steuereinrichtung eine obere Spannungsgrenze des Brennstoffzellenstapels, um den Brennstoffzellenstapel mit einem Netto-Ausgang zu betreiben; und der Netto-Ausgang des Brennstoffzellenstapels entspricht einem Wert, der sich aus der Subtraktion einer Zusatzeinrichtungen-Verbrauchsleistung, d. h. eines Ausgangs, der von Hochspannungskomponenten des Brennstoffzellensystems aufgenommen wird, von einem Ausgang an der oberen Spannungsgrenze des Brennstoffzellenstapels ergibt.
  3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei: wenn der Ladezustand der Batterie kleiner als ein voreingestellter Wert ist, veranlasst die Steuereinrichtung, dass die Batterie mit dem von dem Netto-Ausgang des Brennstoffzellenstapels erzeugten Strom geladen wird; und wenn der Ladezustand der Batterie gleich oder höher als der voreingestellte Wert ist, steuert die Steuereinrichtung die COD-Heizvorrichtung, um einen Ausgang zu erzeugen, der dem Netto-Ausgang des Brennstoffzellenstapels entspricht.
  4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei: die COD-Heizvorrichtung darin mit einem IGBT und einem COD-Controller versehen ist, um die von der Steuereinrichtung empfangene Ausgabe zu erfüllen; und der COD-Controller ermittelt einen Lastwert, der sich aus der Teilung der vom Controller empfangenen Ausgabe durch eine maximale Ausgabe der COD-Heizvorrichtung für die Spannung des Brennstoffzellenstapels ergibt.
  5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung basierend auf Informationen, die von einem GPS-Gerät empfangen werden, das nach einer Fahrstrecke des Fahrzeugs sucht, einen Zeitpunkt prognostiziert, zu dem das Fahrzeug in eine abfallende Straße einfährt.
  6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, wobei: die Steuerung berechnet die beim Bergabfahren zu erzeugende Rückgewinnungsenergie und die wiederaufladbare Energie anhand des Ladezustands der Batterie; und die Steuereinrichtung steuert, dass die COD-Heizvorrichtung ausgeschaltet wird, wenn die Rückgewinnungsenergie geringer ist als die Summe aus der wiederaufladbaren Energie und der Zusatzeinrichtungen-Verbrauchsenergie.
  7. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, wobei, wenn die Rückgewinnungsenergie gleich oder größer als die Summe der wiederaufladbaren Energie und der Zusatzeinrichtungen-Verbrauchsenergie ist, die Steuerungseinrichtung ermittelt, ob die COD-Heizvorrichtung eingeschaltet werden soll, bevor das Fahrzeug in die abfallende Straße einfährt, und zwar basierend auf einem Vergleich zwischen Werten, die durch Subtraktion der Summe der wiederaufladbaren Energie und der Zusatzeinrichtungen-Verbrauchsenergie von der COD-Verbrauchsenergie, die von der COD-Heizvorrichtung verbraucht werden kann, und der Rückgewinnungsenergie erhalten werden, während das Fahrzeug auf der abfallenden Straße fährt.
  8. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, wobei, wenn die COD-Verbrauchsenergie unter einem Wert liegt, der durch Subtraktion der Summe der wiederaufladbaren Energie und der Zusatzeinrichtungen-Verbrauchsenergie von der Rückgewinnungsenergie erhalten wird, die Steuereinrichtung steuert, dass die COD-Heizvorrichtung eingeschaltet wird, bevor das Fahrzeug in die abfallende Straße einfährt.
  9. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 8, wobei die Steuereinrichtung die COD-Heizvorrichtung so steuert, dass sie COD-Vorverbrauchsenergie verbraucht, die ein Wert ist, der durch Subtraktion der Summe der wiederaufladbaren Energie, der Zusatzeinrichtungen-Verbrauchsenergie und der COD-Verbrauchsenergie von der Rückgewinnungsenergie erhalten wird, bevor das Fahrzeug in die abfallende Straße einfährt.
  10. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9, wobei die Steuereinrichtung die COD-Heizvorrichtung so steuert, dass sie zu einem Zeitpunkt eingeschaltet wird, der vor dem Zeitpunkt liegt, zu dem das Fahrzeug voraussichtlich in die abfallende Straße einfährt, und zwar um eine Vorlaufzeit für den COD-Betrieb, die durch Teilung der COD-Vorverbrauchsenergie durch einen maximalen Ausgang der COD-Heizvorrichtung ermittelt wird.
  11. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, wobei die Steuereinrichtung nach dem Einfahren des Fahrzeugs in die abfallende Straße einen Rückgewinnungsstromausgang mit einem maximalen Ausgang der COD-Heizvorrichtung vergleicht, um eine EIN/AUS-Zeit der COD-Heizvorrichtung zu ermitteln, so dass der Ladezustand der Batterie nicht eine Grenze erreicht.
  12. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 11, wobei, wenn die COD-Heizvorrichtung eingeschaltet ist und der Rückgewinnungsstromausgang den maximalen Ausgang der COD-Heizvorrichtung übersteigt, bevor das Fahrzeug in die abfallende Straße fährt, die Steuereinrichtung die COD-Heizvorrichtung so steuert, dass sie mit einem maximalen Ausgang betrieben wird.
  13. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 11, wobei die Steuereinrichtung das Abschalten der COD-Heizvorrichtung steuert, wenn die COD-Heizvorrichtung eingeschaltet ist und der Rückgewinnungsstromausgang kleiner oder gleich dem maximalen Ausgang der COD-Heizvorrichtung ist, bevor das Fahrzeug in die abfallende Straße einfährt.
  14. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 11, wobei die Steuereinrichtung das Einschalten der COD-Heizvorrichtung steuert, wenn die COD-Heizvorrichtung ausgeschaltet ist und der Rückgewinnungsstromausgang den maximalen Ausgang der COD-Heizvorrichtung übersteigt, bevor das Fahrzeug in die abfallende Straße einfährt.
  15. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 11, wobei die Steuereinrichtung das Ausschalten der COD-Heizvorrichtung steuert, wenn die COD-Heizvorrichtung ausgeschaltet ist und der Rückgewinnungsstromausgang kleiner oder gleich dem maximalen Ausgang der COD-Heizvorrichtung ist, bevor das Fahrzeug in die abfallende Straße einfährt.
  16. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 15, wobei die Steuereinrichtung die COD-Heizvorrichtung so steuert, dass deren Ausgang gleich dem Rückgewinnungsstromausgang ist, wenn der Ladezustand der Batterie den Grenzwert durch Rückgewinnungsbremsen des Fahrzeugs erreicht.
  17. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 11, wobei die Steuereinrichtung die COD-Heizvorrichtung so steuert, dass sie ausgeschaltet wird, wenn das Fahrzeug die abfallende Straße verlässt.
  18. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 umfasst ferner einen Heizerkern, der zwischen der COD-Heizvorrichtung und dem Ventil angeordnet ist, eine PTC-Heizvorrichtung für die Beheizung des Fahrzeuginnenraums und ein Klimaanlagen-Steuergerät, das zur Steuerung der PTC-Heizvorrichtung konfiguriert ist, wobei, wenn die Eintritts-Temperatur des Brennstoffzellenstapels unter einer erforderlichen Temperatur des Heizerkerns liegt, übermittelt das Klimaanlagen-Steuergerät einen Befehl zum Einschalten der COD-Heizvorrichtung an die Steuereinrichtung.
  19. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 18, wobei wenn eine Eintritts-Temperatur des Heizerkerns nach dem Einschalten der COD-Heizvorrichtung niedriger ist als die erforderliche Temperatur des Heizungskerns, übermittelt das Klimaanlagen-Steuergerät einen Befehl zur Erhöhung eines Ausgangs der COD-Heizvorrichtung an die Steuereinrichtung.
  20. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 19, wobei: wenn die Eintritts-Temperatur des Brennstoffzellenstapels gleich oder höher ist als die erforderliche Temperatur des Heizerkerns, und wenn die Eintritts-Temperatur des Heizerkerns gleich oder höher ist als die erforderliche Temperatur des Heizerkerns, nachdem die COD-Heizvorrichtung eingeschaltet ist, steuert das Klimaanlagen-Steuergerät einen Ausgang der PTC-Heizvorrichtung um einen Wert, der durch Subtraktion einer vom Heizerkern zugeführten Wärmemenge von einer erforderlichen Heizmenge erhalten wird; und die vom Heizerkern zugeführte Wärmemenge wird basierend auf der Eintritts-Temperatur des Heizerkerns, der Eintritts-Temperatur des Brennstoffzellenstapels und der Wärmeübertragungseffizienz des Heizerkerns berechnet.
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