DE10393874T5 - Brennstoffzellensystem mit einer sekundären Zelle - Google Patents

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Abstract

Leistungsversorgungssystem zur Versorgung eines Verbrauchers mit elektrischer Leistung, mit:
einer ersten Leistungsversorgungsleitung und einer zweiten Leistungsversorgungsleitung zur Verbindung mit dem Verbraucher;
einem Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, welche zwischen der ersten Leistungsversorgungsleitung und der zweiten Leistungsversorgungsleitung angeschlossen ist;
einem sekundären Leistungsversorgungssystem, welches parallel zur Brennstoffzelle zwischen der ersten Leistungsversorgungsleitung und der zweiten Leistungsversorgungsleitung angeschlossen ist;
einem Schalter zum Öffnen und Schließen der Verbindung zwischen der Brennstoffzelle und der ersten Leistungsversorgungsleitung; und
einer Steuervorrichtung zur Steuerung des sekundären Leistungsversorgungssystems und des Schalters, wobei
die Steuervorrichtung konfiguriert ist, um das sekundäre Leistungsversorgungssystem dazu anzusteuern, eine Klemmenspannung des sekundären Leistungsversorgungssystems zu erhöhen, wenn die Brennstoffzelle mit der ersten Leistungsversorgungsleitung verbunden wird.

Description

  • TECHNISCHES FELD
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Leistungsversorgungssystem, das eine Brennstoffzelle und eine sekundäre Zelle enthält.
  • STAND DER TECHNIK
  • Brennstoffzellen sind als umweltfreundliche, saubere Stromquelle bekannt. Üblicherweise gibt es Umstände, unter denen es schwierig ist, Lastschwankungen mit einer einzelnen Brennstoffzelle zu bewältigen, so daß ein Hybridleistungsversorgungssystem vorgeschlagen wurde, das eine Brennstoffzelle mit einer sekundären Zelle kombiniert. Bei einem Hybridleistungsversorgungssystem ist es unter bestimmten Bedingungen, nämlich während einer Fehlfunktion der Brennstoffzelle, oder während des Startvorgangs, wünschenswert, die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle zu halten und nur mit der Leistung der sekundären Zelle Leistung zu liefern.
  • Jedoch erforderte ein Hybridleistungsversorgungssystem einen Schalter mit hoher Kapazität, um die Brennstoffzelle vom System zu isolieren. Zudem trat während der Verbindung der Brennstoffzelle mit dem System das Problem eines möglichen überhöhten Stromflusses von der Brennstoffzelle auf.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung ist dazu gedacht, die vorstehend erwähnten Probleme des Standes der Technik zu lösen, und hat die Aufgabe, eine Technologie bereitzustellen, um, in einem Leistungsversorgungssystem, das eine Brennstoffzelle und eine se kundäre Zelle kombiniert, einen Betriebsmodus zu realisieren, wodurch Leistung nur von der sekundären Zelle geliefert wird.
  • Die erste Konfiguration der vorliegenden Erfindung ist ein Leistungsversorgungssystem zur Versorgung eines Verbrauchers bzw. einer Last mit elektrischer Leistung. Das System enthält: eine erste Leistungsversorgungsleitung und eine zweite Leistungsversorgungsleitung für eine Verbindung mit dem Verbraucher; ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, die zwischen der ersten Leistungsversorgungsleitung und der zweiten Leistungsversorgungsleitung angeschlossen ist; ein sekundäres Leistungsversorgungssystem, das parallel zur Brennstoffzelle zwischen der ersten Leistungsversorgungsleitung und der zweiten Leistungsversorgungsleitung angeschlossen ist; einen Schalter zum Öffnen und Schließen der Verbindung zwischen der Brennstoffzelle und der ersten Leistungsversorgungsleitung; sowie eine Steuervorrichtung zur Steuerung des sekundären Leistungsversorgungssystems und des Schalters. Die Steuervorrichtung ist derart konfiguriert, um das sekundäre Leistungsversorgungssystem zu steuern, eine Klemmenspannung des sekundären Leistungsversorgungssystems zu erhöhen, wenn die Brennstoffzelle mit der ersten Leistungsversorgungsleitung verbunden wird.
  • Gemäß dem Leistungsversorgungssystem der ersten Konfiguration der vorliegenden Erfindung gibt es, wenn die Brennstoffzelle mit der Leistungsversorgungsleitung verbunden wird, einen Anstieg in der Klemmenspannung eines zweiten Leistungsversorgungssystems, das parallel zur Brennstoffzelle angeschlossen ist, wodurch es möglich ist, einen überhöhten Strom von der Brennstoffzelle zu vermeiden, der auftreten kann, wenn eine Brennstoffzelle an ein Leistungsversorgungssystem angeschlossen wird.
  • Bei dem vorstehenden Leistungsversorgungssystem kann das Leistungsversorgungssystem ferner eine Gegenstrom-Vermeidungs-Einrichtung enthalten, die zwischen der Brennstoffzelle und der ersten Leistungsversorgungsleitung angeschlossen ist. Die Steuervorrichtung kann derart konfiguriert sein, daß sie die Klemmenspannung des se kundären Leistungsversorgungssystems zu einer ersten Spannung erhöht, wenn die Brennstoffzelle an die erste Leistungsversorgungsleitung angeschlossen wird, wobei die erste Spannung gleich oder höher als eine elektrische Potentialdifferenz der offenen Anschlüsse bzw. Klemmen der Brennstoffzelle ist.
  • Dadurch kann, wenn die Brennstoffzelle an das Leistungsversorgungssystem angeschlossen wird, ein von der Brennstoffzelle wegfließender Strom auf Null gebracht bzw. gesetzt werden, so daß die Klemmenspannung des sekundären Leistungsversorgungssystems nach der Verbindung schrittweise sinkt, wodurch der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle langsam erhöht werden kann.
  • Bei dem vorstehend diskutierten Leistungsversorgungssystem kann die Steuervorrichtung derart konfiguriert sein, daß sie die Klemmenspannung des sekundären Leistungsversorgungssystems auf eine zweite Spannung senkt, nachdem die Brennstoffzelle an die erste Versorgungsleitung angeschlossen ist, wobei die zweite Spannung niedriger als eine Potentialdifferenz der offenen Anschlüsse der Brennstoffzelle ist.
  • Dadurch ist es möglich, eine Brennstoffzelle und ein sekundäres Leistungsversorgungssystem, das angeordnet ist, um optimal bei einer Spannung zu arbeiten, welche niedriger ist als die Klemmenspannung zu einem Zeitpunkt, zu welchem die Brennstoffzelle offen ist, effizient zu betreiben, nachdem die Brennstoffzelle angeschlossen ist. Die Anordnung, derzufolge das sekundäre Leistungsversorgungssystem optimal bei einer niedrigeren Spannung als der Klemmenspannung zu dem Zeitpunkt, zu welchem die Brennstoffzelle offen ist, arbeitet, basiert darauf, daß das sekundäre Leistungsversorgungssystem basierend auf der Annahme, daß, wenn die Brennstoffzelle angeschlossen ist, der Betrieb bei einer Klemmenspannung stattfindet, die niedriger ist als die Klemmenspannung zu dem Zeitpunkt, zu dem die Brennstoffzelle offen ist, ausgelegt ist.
  • Bei dem vorstehenden Leistungsversorgungssystem kann die Steuervorrichtung konfiguriert sein, daß sie die Klemmenspannung des sekundären Leistungsversorgungssystems in Reaktion auf die Isolierung der Brennstoffzelle von der ersten Leistungsver sorgungsleitung auf eine Spannung senkt, welche niedriger als eine elektrische Potentialdifferenz der offenen Anschlüsse der Brennstoffzelle ist.
  • Dadurch ist es möglich, ein sekundäres Leistungsversorgungssystem effizient zu betreiben, das angeordnet ist, um, wenn die Brennstoffzelle isoliert ist, optimal bei einer Spannung zu arbeiten, welche niedriger ist als die Klemmenspannung zu dem Zeitpunkt, zu welchem die Brennstoffzelle offen ist.
  • Bei dem vorstehenden Leistungsversorgungssystem kann das sekundäre Leistungsversorgungssystem eine wieder aufladbare sekundäre Zelle, und einen DC-DC-Wandler aufweisen, der dazu geeignet ist, eine Spannung der DC-Eingangsleistung, welche von der sekundären Zelle eingegeben wird, zur Ausgabe von DC-Leistung zu erhöhen oder zu senken; und die Steuervorrichtung ist konfiguriert, um in Reaktion auf die Isolation der Brennstoffzelle von der ersten Leistungsversorgungsleitung eine Steuerung zu beginnen, um die Ausgangsspannung des DC-DC-Wandlers näher an die Ausgangsspannung der sekundären Zelle als an die elektrische Potentialdifferenz der offenen Anschlüsse der Brennstoffzelle zu bringen.
  • Dadurch kann der DC-DC-Wandler, der zum sekundären Leistungsversorgungssystem gehört, effizient arbeiten, wenn die Brennstoffzelle isoliert ist. Das liegt daran, daß die DC-DC-Wandler Effizienz effizienter ist, wenn die Ausgangsspannung näher an der Eingangsspannung ist als an der Klemmenspannung zu dem Zeitpunkt, zu dem die Brennstoffzelle offen ist. In dieser Beschreibung hat der Begriff „wieder aufladbare sekundäre Zelle" eine breite Bedeutung, die nicht nur Batterien, sondern auch Kondensatoren beinhaltet.
  • Bei dem vorstehenden Leistungsversorgungssystem kann das sekundäre Leistungsversorgungssystem eine wieder aufladbare sekundäre Zelle, und einen DC-DC-Wandler aufweisen, der dazu geeignet ist, eine Spannung der DC-Eingangsleistung, welche von der sekundären Zelle eingegeben wird, zur Ausgabe von DC-Leistung zu erhöhen oder zu senken; und die Steuervorrichtung ist konfiguriert, um in Reaktion auf die Isolation der Brennstoffzelle von der ersten Leistungsversorgungsleitung eine Steuerung zu beginnen, um die Ausgangsspannung des DC-DC-Wandlers nahe an die Ausgangsspannung der sekundären Zelle zu bringen.
  • Dadurch kann der DC-DC-Wandler, der zum sekundären Leistungsversorgungssystem gehört, effizient arbeiten; wenn die Brennstoffzelle isoliert ist. Das liegt daran, daß die DC-DC-Wandler Effizienz effizienter ist, je näher die Ausgangsspannung an der Eingangsspannung liegt.
  • Bei dem vorstehenden Leistungsversorgungssystem kann die Steuervorrichtung konfiguriert sein, um die Brennstoffzelle von der ersten Leistungsversorgungsleitung zu isolieren, wenn die Brennstoffzelle in einem Zustand ist, in welchem sie nicht in der Lage ist, eine vorgegebene Menge elektrischer Leistung bereitzustellen.
  • Die zweite Konfiguration der vorliegenden Erfindung ist ein Leistungsversorgungssystem zur Versorgung eines Verbrauchers mit elektrischer Leistung. Das Leistungsversorgungssystem enthält: ein Brennstoffzellensystem mit einer Gegenstrom-Vermeidungs-Einrichtung und einer Brennstoffzelle, wobei ein Anschluß bzw. eine Klemme der Gegenstrom-Vermeidungs-Einrichtung mit einer Klemme bzw. einem Anschluß des Verbrauchers verbunden ist, und wobei die Brennstoffzelle zwischen dem anderen Anschluß des Verbrauchers und dem anderen Anschluß der Gegenstrom-Vermeidungs-Einrichtung angeschlossen ist; ein sekundäres Leistungsversorgungssystem, das parallel zur Brennstoffzelle angeschlossen ist; sowie eine Steuervorrichtung zur Steuerung des sekundären Leistungsversorgungssystems. Die Steuervorrichtung kann konfiguriert sein, um einen speziellen Steuermodus zu haben, um eine Klemmenspannung des sekundären Leistungsversorgungssystems auf eine Spannung zu erhöhen, die gleich oder größer als die elektrische Potentialdifferenz der offenen Anschlüsse der Brennstoffzelle ist, um eine Ausgangsleistung der Brennstoffzelle zu halten.
  • Das Leistungsversorgungssystem der zweiten Konfiguration der Erfindung hat einen speziellen Steuermodus wodurch die Brennstoffzellen-Ausgangsleistung mit der Klemmenspannung des sekundären Leistungsversorgungssystems auf einem Wert gehalten wird, der gleich oder größer ist, als die Klemmenspannung, wenn die Brennstoffzelle offen ist, wodurch eine Brennstoffzelle ohne Zwischenschalter für ein Hybridleistungsversorgungssystem bereitgestellt werden kann.
  • Bei dem vorstehenden Leistungsversorgungssystem kann die Steuervorrichtung derart konfiguriert sein, um im speziellen Steuerungsmodus zu einem bestimmten Zustand, der zumindest einen Start der Brennstoffzelle und eine Fehlfunktion der Brennstoffzelle beinhaltet, die Steuerung auszuführen.
  • Bei dem vorstehenden Leistungsversorgungssystem kann das sekundäre Leistungsversorgungssystem eine wieder aufladbare sekundäre Zelle und einen DC-DC-Wandler aufweisen, der dazu geeignet ist, eine Spannung der DC-Eingangsleistung, welche von der sekundären Zelle eingegeben wird, zur Ausgabe von DC-Leistung zu erhöhen oder zu senken. Die wieder aufladbare Zelle kann konfiguriert sein, um eine vorgegebene elektrische Leistung in einer Spannung einer Klemmenspannung auszugeben, die gleich oder höher als eine elektrische Potentialdifferenz der offenen Anschlüsse der Brennstoffzelle ist. Der DC-DC-Wandler kann einen Kurzschlußmodus haben, um die wieder aufladbare sekundäre Zelle und die Brennstoffzelle kurzzuschließen. Der spezielle Steuerungsmodus kann ein Steuerungsmodus sein, um einen Betriebsmodus des DC-DC-Wandlers in den Kurzschlußmodus zu versetzen.
  • Dadurch wird die Ausgangsspannung der sekundären Zelle direkt an die Brennstoffzelle oder den Verbraucher bzw. die Last angelegt, wodurch sowohl die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle gehalten, als auch ein Schaltungsverlust verhindert werden kann, so daß das Leistungsversorgungssystem höchst effizient gemacht wird, wenn die Brennstoffzellen-Ausgangsleistung gehalten wird. Der Kurzschlußmodus kann durch die Bereitstellung eines Kurzschlußschalters, beispielsweise zwischen der sekundären Zelle und der Brennstoffzelle oder dem Verbraucher, realisiert werden.
  • Bei dem vorstehenden Leistungsversorgungssystem kann die wieder aufladbare sekundäre Zelle einen ersten Leistungsanschluß und einen zweiten Leistungsanschluß haben. Der DC-DC-Wandler kann aufweisen: einen ersten Verbraucheranschluß; einen zweiten Verbraucheranschluß; eine zweite Leistungsseiten-Reihenschaltung mit einem ersten Schalter und einem zweiten Schalter, wobei ein Anschluß des ersten Schalters und ein Anschluß des zweiten Schalters an einem ersten Anschlußpunkt angeschlossen bzw. verbunden sind, wobei der andere Anschluß des ersten Schalters mit dem ersten Leistungsanschluß verbunden ist, und wobei der andere Anschluß des zweiten Schalters mit dem zweiten Leistungsanschluß verbunden ist; eine verbraucherseitige-Reihenschaltung mit einem dritten Schalter und einem vierten Schalter, wobei ein Anschluß bzw. eine Klemme des dritten Schalters und ein Anschluß des vierten Schalters an einem zweiten Anschlußpunkt angeschlossen sind, wobei der andere Anschluß des dritten Schalters mit dem ersten Verbraucheranschluß verbunden ist, und wobei der andere Anschluß des vierten Schalters mit dem zweiten Verbraucheranschluß verbunden ist; und einen induktiven Widerstand (inductance), der zwischen dem ersten Anschlußpunkt und dem zweiten Anschlußpunkt angeschlossen ist; der zweite Leistungsanschluß ist mit dem zweiten Verbraucheranschluß verbunden. Der Kurzschlußmodus ist ein Betriebsmodus für die Steuervorrichtung zum Schließen des ersten Schalters und des dritten Schalters sowie zum Öffnen des Verbindungssteuerungsschalters und des zweiten Schalters und des vierten Schalters.
  • Dadurch kann der Kurzschlußschalter entfallen, um ein einfaches und höchst zuverlässiges System zu realisieren.
  • Es ist möglich, die Erfindung in verschiedenen Konfigurationen zu realisieren, beispielsweise als: ein Hybridleistungsversorgungssystem, eine Steuervorrichtung sowie ein Steuerungsverfahren hierfür; einen beweglicher Körper (z. B. ein Brennstoffzellen-Automobil), der mit einem derartigen System ausgerüstet ist sowie ein Steuerungsverfahren hierfür; ein Computerprogramm, um die Funktionen eines solchen Systems oder Verfahrens zu realisieren; ein Speichermedium, mit einem darauf gespeicherten derartigen Computerprogramm; ein Datensignal, das ein derartiges Computerprogramm ent hält, das in einer Trägerwelle ausgeführt ist; eine Leistungsversorgungsverfahren; oder andere derartige Konfigurationen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • 1 zeigt ein vereinfachtes schematisches Schaubild eines elektrischen Autos, das mit einem Leistungsversorgungssystem ausgestattet ist als erste Ausführungsform der Erfindung;
  • 2 zeigt ein Blockschaubild, das ein sekundäres Leistungsversorgungssystem 20 und ein FC-System 30 zeigt, welche einen Motorsteuerkreis 40 mit Leistung versorgen;
  • 3 zeigt eine Darstellung, welche die Variation der Teilungsrate auf Grund der Steuerung der Ausgangsspannung des sekundären Leistungsversorgungssystems darstellt;
  • 4 zeigt eine Darstellung, die eine Anordnung eines sekundären Leistungsversorgungssystems 20 in einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt, welches einen DC-DC-Wandler 21 und eine sekundäre Zelle 23 hat;
  • 5 zeigt eine Darstellung, welche die Beziehung des Eingangs-Ausgangs-Spannungsverhältnisses und die Wandlungseffizienz im DC-DC-Wandler 21 und einer sekundären Zelle 23 einer ersten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
  • 6 zeigt ein Zeitdiagramm, das den Betrieb eines Hybridleistungsversorgungssystems der ersten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
  • 7 zeigt ein Flußdiagramm, das den Inhalt der Steuerung des Hybridleistungsversorgungssystems der ersten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
  • 8 stellt ein Flußdiagramm dar, das den Inhalt der FC-System-Verbindungssteuerung, die in Schritt S 120 ausgeführt wird, zeigt;
  • 9 zeigt ein Flußdiagramm, das die Logik der DC-DC-Wandler-Befehlsspannung zeigt;
  • 10 zeigt ein vereinfachtes schematisches Schaubild eines mit dem Leistungsversorgungssystem ausgerüsteten elektrischen Autos gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung;
  • 11 zeigt eine Darstellung, welche die Anordnung des sekundären Leistungsversorgungssystems 20a in der zweiten Ausführungsform der Erfindung darstellt;
  • 12 zeigt ein Flußdiagramm, das den Inhalt der Steuerung des Hybridleistungsversorgungssystems 100a in der zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
  • 13 zeigt ein Flußdiagramm, das die Logik des DC-DC-Wandler-Steuerbefehls zeigt;
  • 14 zeigt ein Zeitdiagramm, das die in einer Zeitreihe an die Gate-Anschlüsse der vier Schalter Q1, Q2, Q3 und Q4 mittels einer Steuereinheit 300a angelegten Spannungen während einer Leistungsversorgung im normalen Steuerungsmodus darstellt;
  • 15 zeigt eine Darstellung, die den Betriebszustand einer bidirektionalen DC-DC-Wandlerschaltung 21a zeigt, wenn ein Verbraucher 200 mit Leistung versorgt wird;
  • 16 zeigt eine Darstellung, welche den Betriebszustand der bidirektionalen DC-DC-Wandlerschaltung 21a in einem Kurzschlußmodus zeigt;
  • 17 stellt eine Darstellung dar, welche den Betriebszustand des Hybridleistungsversorgungssystems 100a im Kurzschlußmodus zeigt;
  • 18 zeigt ein Flußdiagramm, das ein Beispiel eines Prozesses zur Feststellung des Steuerkreis-Leistungsforderungs-Befehlsinhaltes darstellt;
  • 19 zeigt einen Graph, der ein konstante Leistungsentladungskurve einer sekundären Zelle 23a darstellt.
  • BESTE ART ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
  • Die Ausführungsformen der Erfindung sollen nachfolgend auf Basis von Ausführungsformen in der folgenden Reihenfolge beschrieben werden.
    • A. Anordnung eines Hybridleistungsversorgungssystems in der ersten Ausführungsform der Erfindung:
    • B. Betrieb eines Hybridleistungsversorgungssystems in der ersten Ausführungsform der Erfindung:
    • C. Anordnung eines Hybridleistungsversorgungssystems in der zweiten Ausführungsform der Erfindung:
    • D. Betrieb eines Hybridleistungsversorgungssystems in der zweiten Ausführungsform der Erfindung:
  • A. Anordnung eines Hybridleistungsversorgungssystems in der ersten Ausführungsform der Erfindung
  • 1 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines elektrischen Autos, das mit einem Leistungsversorgungssystem ausgestattet ist als erste Ausführungsform der Erfindung. Diese elektrische Auto (nachfolgend einfach als „Fahrzeugsystem" bezeichnet) enthält ein Hybridleistungsversorgungssystem 100, einen Verbraucher bzw. eine Last 200, welche die Räder enthält, und eine Steuereinheit 300. Das Hybridleistungsversorgungssystem 100 hat ein sekundäres Leistungsversorgungssystem 20 und ein Brennstoffzellensystem 30 (auch als "FC-System" bezeichnet), welche parallel zueinander zwischen zwei Leistungsversorgungsleitungen 12, 14 angeschlossen sind. Zwei Voltmeter 22, 36 zur Erfassung der Klemmenspannung sind jeweils am sekundären Leistungsversorgungssystem 20 und dem Brennstoffzellensystem 30 bereitgestellt. Zwischen der Brennstoffzellensystem 30 und der ersten Leistungsversorgungsleitung 12 sind ein FC-Schalter 32 und eine Gegenstrom-Vermeidungs-Diode D1 in Serie angeschlossen.
  • Die Leistungsversorgungsleitungen 12 und 14 sind mit dem Motorsteuerkreis 40 dem Verbraucher 200 verbunden. Der Motorsteuerkreis 40 ist eine Schaltung zum Antreiben eines Motors 42 und wird beispielsweise von einem Transistor-Wechselrichter gebildet. Vom Motor 42 erzeugte Antriebskraft wird über einen Getriebemechanismus 44 an die Antriebsradwelle 46 übertragen.
  • Die Steuereinheit 300 ist elektrisch mit dem FC-System 30, dem FC-Schalter 32 und dem Motorsteuerkreis 40 verbunden, und fährt verschiedene Arten von Steuerungen aus, einschließlich die Steuerung dieser Schaltungen. Die Steueroperationen der Steuereinheit 300 werden mittels eines Computerprogramms realisiert, welches in einem (nicht dargestellten) Speicher gespeichert ist, der in der Steuereinheit 300 ausgebildet ist, und von der Steuereinheit 300 ausgeführt. Es ist möglich, ein ROM, eine Festplatte, oder andere Speichermedien als diesen Speicher zu verwenden.
  • Der Motorsteuerkreis 40 wandelt DC-Leistung, welche vom Hybridleistungsversorgungssystem 100 geliefert wird in Drei-Phasen-AC-Leistung um, die an den Motor 42 geliefert wird. Die Menge der gelieferten Drei-Phasen-AC-Leistung wird von dem Motorsteuerkreis 40 festgelegt, welche von der Steuereinheit 300 gesteuert wird, abhängig von der Eingabe eines nicht dargestellten Beschleunigers. Auf diese Weise wird ein Fahrzeugsystem gebildet, wodurch die Menge der an den Motor 42 angelegten Drei-Phasen-AC-Leistung nicht von der Ausgangsspannung des Hybridleistungsversorgungssystems 100 abhängt.
  • 2 zeigt ein Blockschaubild, das ein sekundäres Leistungsversorgungssystem 20 und das FC-System 30 zeigt, welche einen Motorsteuerkreis 40 mit Leistung versorgen. 2(a) zeigt den Fall, in welchem die benötigte Leistung des Motorsteuerkreises 40 größer ist als die FC-Spannung, welche die Ausgangsspannung des FC-Systems 30 darstellt; und 2(b) zeigt den Fall, in welchem die benötigte Leistung des Motorsteuerkreises 40 niedriger als die FC-Spannung ist.
  • Wenn die vom Steuerkreis geforderte Leistung des Motorsteuerkreises 40 größer als die FC-Spannung ist, liefern sowohl das FC-System 30 als auch das sekundäre Leistungsversorgungssystem 20 gleichzeitig Leistung an den Motorsteuerkreis 40 ( 2(a)). Beispielsweise liefern, wenn der Beschleuniger (nicht dargestellt) gedrückt ist und die vom Steuerkreis geforderte Leistung vorübergehend hoch wird, sowohl das FC-System 30 als auch das sekundäre Leistungsversorgungssystem 20 die Leistung.
  • Wenn die vom Steuerkreis geforderte Leistung des Motorsteuerkreises 40 geringer als die FC-Spannung ist, wird die Extraleistung in der FC-Leistung an das sekundäre Leistungsversorgungssystem 20 geliefert und lädt das sekundäre Leistungsversorgungssystem 20 wie später beschrieben (2(b)). Wenn beispielsweise die vom Steuerkreis geforderte Leistung während des Leerlaufs momentan niedrig geworden ist, liefert das FC-System 30 Leistung sowohl an den Motorsteuerkreis 40 als auch an das sekundäre Leistungsversorgungssystem 20.
  • Wenn Leistung vom Motorsteuerkreis 40 mittels regenerativen Bremsens des Motors 42 geliefert wird, wird diese Leistung ausschließlich an das sekundäre Leistungsversorgungssystem 200 geliefert. Eine Gegenstrom-Vermeidungs-Diode D1 zum Schutz des FC-Systems 30 ist zwischen dem FC-System 30 und der Leistungsversorgungsleitung 12 angeordnet (1).
  • 3 zeigt eine Darstellung, welche die Steuerung der Ausgangsleistung des FC-Systems 30 mittels der Anpassung der Ausgangsspannung des sekundären Leistungsversorgungssystems 20 darstellt. 3(a) beschreibt die Beziehung zwischen der FC-Spannung, welche die Ausgangsspannung des FC-Systems darstellt, und dem FC-Strom, welcher der Ausgangsstrom ist. Wie anhand von 3(a) verstanden wird, ist die Beziehung von der Art, bei welcher die FC-Spannung ansteigt, wenn der FC-Strom niedriger wird, und bei welcher die FC-Spannung sinkt, wenn der FC-Strom größer wird.
  • Insbesondere ist , wenn die FC-Spannung V0 ist, der FC-Strom I0 und die FC-Leistung P0. Wenn die FC-Spannung auf den Wert V1 absinkt, steigt der FC-Strom auf den Wert I1 und die FC-Leistung auf den Wert P1. Selbst wenn die FC-Spannung unter V1 sinkt, erreicht der Anstieg des FC-Stromes die Sättigung, und die FC-Leistung, welche das Produkt des FC-Stromes und der FC-Spannung ist, beginnt umgekehrt zu sinken.
  • Das Hybrid-Leistungsversorgungssystem 100 ist derart angeordnet, daß, um das FC-System 30 zu schützen, die FC-Spannung nicht unter einen minimalen Betriebsstrom Vmin sinkt. Daraus resultierend arbeitet das FC-System 30 bei einer Ausgangsspannung zwischen der Leerlaufspannung OCV und der minimalen Betriebsspannung Vmin.
  • 3(b) zeigt den Leistungsversorgungsstatus des FC-Systems 30 (siehe 1) mit dem parallel angeschlossenen sekundären Leistungsversorgungssystem 20. Die Spannung Pt ist die vom Steuerkreis geforderte Leistung (siehe 2) zu einem gegebenen Moment. Die FC-Leistung wird als eine "minus" schraffierte Region dargestellt, und die sekundäre Leistungsversorgungsleistung wird als eine "plus" schraffierte Region dargestellt. Die FC-Leistung ist identisch zu der, welche in 3(a) gezeigt wird.
  • Wenn beispielsweise die sekundäre Leistungsversorgungsspannung V0 ist, ist der Wert der FC-Leistung P0, welcher geringer ist als der Wert, der vom Steuerkreis geforderten Leistung Pt, und auf diese Weise liefert das sekundäre Leistungsversorgungssystem 20 eine Leistung, welche gleich der Differenz zwischen der vom Steuerkreis geforderten Leistung Pt und P0 ist (= Pt – P0). Auf der anderen Seite steigt, wenn die sekundäre Leistungsversorgungsspannung auf den Wert V1 sinkt, die FC-Leistung auf den Wert P1, der größer als der Wert Pt ist, und so wird die überhöhte Leistung (=Pt1–Pt) der FC-Leistung an das sekundäre Leistungsversorgungssystem 20 geliefert (siehe 2(b)). Auf diese Weise wird verstanden werden, daß das Hybrid-Leistungsversorgungssystem 100 dazu geeignet ist, die FC-Spannung mittels der Anpassung der sekundären Leistungsversorgungsspannung (Ausgangsspannung des sekundären Leistungsversorgungssystems 20) zu steuern.
  • Dadurch kann, beispielsweise abhängig vom Ladezustand der nachfolgend bzw. später beschriebenen sekundären Zelle, die Ausgangsleistung des FC-Systems 30 eingestellt werden. Für den Fall, daß beispielsweise die Ladung der sekundären Zelle niedrig ist, ist es vorzuziehen, die sekundäre Leistungsversorgungsspannung klein zu machen. Das hat den Hintergrund, daß dadurch die Ausgangsleistung des FC-Systems 30 größer wird und mehr Möglichkeiten zum Laden der sekundären Zelle erzeugt. Auf der anderen Seite ist es vorzuziehen, für den Fall, daß die Ladung der sekundären Zelle überhöht ist, die sekundäre Leistungsversorgungsspannung groß zu machen. Das hat den Hintergrund, daß dadurch die Ausgangsleistung des FC-Systems 30 geringer gemacht werden kann, wodurch mehrere Möglichkeiten zur Entladung der sekundären Zelle erzeugt werden.
  • 4 zeigt eine Darstellung, die eine Anordnung des sekundären Leistungsversorgungssystems 20 zeigt, welches einen DC-DC-Wandler 21 und eine sekundäre Zelle 23 in einer ersten Ausführungsform der Erfindung hat. Der DC-DC-Wandler 21 hat zwei Schalter Q1 und Q2, einen Transistor T, eine Diode D2, und einen Kondensator C. Das sekundäre Leistungsversorgungssystem 20 kann DC-Leistung in jeder Spannung in einem vorgegebenen Bereich an zwei Anschlüsse oder Klemmen T12 und T14 ausgeben.
  • Dieser DC-DC-Wandler 21, wie aus 4 verstanden wird, ist als bidirektionaler Wandler im Rücklaufdesign gebildet. Dieser bidirektionale Wandler kann Leistung von der sekundären Zelle 23 liefern, und kann auch die sekundäre Zelle 23 mit Leistung vom FC-System 30 oder dem Motorsteuerkreis 40 laden.
  • Die Versorgung mit Leistung mittels des sekundären Leistungsversorgungssystems 20 wird mittels der Steuereinheit 300 ausgeführt, welche den Schalter Q2 in einer "ON" Position fixiert und verursacht, daß der Schalter Q1 eine ON/OFF-Operation bzw. einen ON/OFF-Betrieb duldet. Wenn der Schalter Q1 den ON/OFF-Betrieb durchmachen muß, sammelt sich für den Fall, daß der Schalter Q 1 in der "ON" Position ist, magnetische Energie am primären Spulenende (Ende der sekundären Zelle 23) des Transistors T, und für den Fall, daß der Schalter Q1 in die "OFF" Position geht, wird elektromotorische Kraft am sekundären Spulenende (Ausgangsende) erzeugt. Die Ausgangsspannung des sekundären Leistungsversorgungssystems 20 ist mittels einer Variation der Betriebsart (ON – OFF Verhältnis) des Schalters Q1 steuerbar. Auf der anderen Seite wird das Laden der sekundären Zelle mittels der Steuereinheit 300 ausgeführt, welche den Schalter Q1 in der "ON" Position fixiert und verursacht, daß der Schalter Q2 den ON/OFF-Betrieb durchläuft.
  • 5 zeigt eine Darstellung, welche die Beziehung des Eingangs-/Ausgangs-Spannungsverhältnisses und die Wandlungseffizienz im DC-DC-Wandler 21 der ersten Ausführungsform der Erfindung darstellt. Das Eingangs-/Ausgangs-Spannungsverhältnis ist der Wert, welcher durch die Division der Ausgangsspannung des DC-DC-Wandlers 21 durch die Eingangsspannung erhalten wird. Die Wandlungseffizienz ist der Wert, welcher durch die Division der Ausgangsleistung des DC-DC-Wandlers 21 durch die Eingangsleistung erhalten wird. Wie aus 5 verstanden wird, gibt es eine Spitze in der Wandlungseffizienz, wenn das Eingangs-/Ausgangs-Spannungsverhältnis gleich "1" ist, deshalb ist es vorzuziehen, das Hybrid-Leistungsversorgungssystem 100 derart anzuordnen, daß es mehrere Betriebsfälle in einem Zustand gibt, in welchem die Ausgangsspannung des sekundären Leistungsversorgungssystems 20 und die Ausgangsspannung der sekundären Zelle gleich sind.
  • B. Betrieb eines Hybridleistungsversorgungssystems in der ersten Ausführungsform der Erfindung
  • 6 zeigt ein Zeitdiagramm, welches den Betrieb eines Hybrid-Leistungsversorgungssystems in der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt. 6 zeigt den Status des Hybrid-Leistungsversorgungssystems 100 in einer exemplarischen Sequenz, nämlich einer Sequenz von (1) Starten des FC-Systems 30, (2) Normalbetrieb des Hybrid-Leistungsversorgungssystems, (3) Fehlfunktion des FC-Systems 30, und (4) Normalbetrieb des Hybrid-Leistungsversorgungssystems.
  • Als Status bzw. als Zustand des Hybrid-Leistungsversorgungssystems 100 werden der Betriebszustand des FC-Schalters 32, die Befehlsspannung des DC-DC-Wandlers 21 und der FC-Strom als Zeitdiagramm dargestellt. In dieser Beschreibung bedeutet Normalbetrieb des Hybrid-Leistungsversorgungssystems einen Parallel-Betriebszustand, wodurch Leistung sowohl vom FC-System 30 als auch von der sekundären Zelle 23 geliefert werden kann.
  • Zum Startzeitpunkt des FC-Systems 30 hat die Steuereinheit 300 den FC-Schalter 32 auf "OFF" gesetzt (Zeitpunkt t0 in 6(a)). Das Starten des FC-Systems 30 bezeichnet einen Prozeß, wodurch beispielsweise ein Reformer (nicht dargestellt), der Wasserstoffgas produziert, dazu in die Lage versetzt wird, Wasserstoffgas mit einer vorbestimmten Qualität zu produzieren, um das FC-System 30 in die Lage zu versetzen, eine vorgegebene Leistung zu entfalten. Zum Zeitpunkt des Startens des FC-Systems 30 beginnt, da der FC-Schalter 32 auf "OFF" steht, sobald ein Zustand erreicht ist, in wel chem eine vorgegebene Leistung entfaltet werden kann, die Versorgung mit Leistung durch das FC-System 30. Daraus resultierend fließt zum Zeitpunkt des Starts des FC-Systems 30 kein FC-Strom (siehe 6(c)).
  • Zum Zeitpunkt des Startens des FC-Systems 30 wird die Befehlsspannung des DC-DC-Wandlers 21 auf die Spannung VL gesetzt. Die Spannung VL ist die Ausgangsspannung er sekundären Zelle 23, wenn die sekundäre Zelle 23 mit der besten Effizienz betrieben werden kann. Das Setzen der Befehlsspannung des DC-DC-Wandlers 21 auf die Spannung VL dient dazu, die Wandlungseffizienz zu erhöhen, wobei das Eingangs/Ausgangs-Spannungsverhältnis des DC-DC-Wandlers 21 "1" ist.
  • Wenn jedoch das Starten des FC-Systems 30 sich dem Ende nähert, erhöht die Steuereinheit 300 die Befehlsspannung des DC-DC-Wandlers 21 auf die Spannung VH. Die Spannung VH ist die Spannung, die höher ist als die Leerlaufspannung OCV (siehe 3) des FC-Systems 30 (zum Zeitpunkt t1). Die Erhöhung der Befehlsspannung des DC-DC-Wandlers 21 auf eine Spannung, welche höher ist als die Leerlaufspannung OCV des FC-Systems 30, dient dazu, um den plötzlichen Fluß eines großen Stromes oder eines hohen Stromes vom FC-System 30 zu vermeiden, wenn der FC-Schalter (siehe 1) auf "ON" gestellt wird.
  • Wenn der FC-Schalter 32 auf "ON" gestellt wird, beginnt der Normalbetrieb des Hybrid-Leistungsversorgungssystems 100. Selbst wenn die Ausgangsspannung des DC-DC-Wandlers 21 in einem Zustand angeschlossen wird, in welchem sie höher ist als die Leerlaufspannung des FC-Systems 30, tritt auf Grund des Vorhandenseins der Diode D1 zur Verminderung des Gegenstromes kein Gegenstrom auf.
  • Zum Zeitpunkt, zu welchem der Normalbetrieb des Hybrid-Leistungsversorgungssystems beginnt, ist die Ausgangsspannung des DC-DC-Wandlers 21 höher als die Leerlaufspannung des FC-Systems 30, so daß kein FC-Strom fließt (Zeitpunkt t2). Wenn jedoch nachfolgend die Ausgangsspannung des DC-DC-Wandlers 21, welche die sekundäre Leistungsversorgungsspannung darstellt, unter den Wert der Leerlaufspannung OCV des FC-Systems 30 sinkt, beginnt ein FC-Strom zu fließen (siehe 6(c) und 3(b)). Auf diese Weise kann mit der Anordnung dieser Ausführungsform durch das schrittweise Senken der Ausgangsspannung des DC-DC-Wandlers 21 die FC-Spannung schrittweise erhöht werden.
  • Während des Normalbetriebs des Hybrid-Leistungsversorgungssystems (Zeitbereich t2–t3) stellt die Steuereinheit 300 die Befehlsspannung des DC-DC-Wandlers 21 in Abhängigkeit vom Ladestatus der sekundären Zelle 23 wie vorstehend beschrieben fest. Vorzugsweise wird das Hybrid-Leistungsversorgungssystem 100 derart angeordnet, daß die Befehlsspannung nahe an die Spannung VL angepaßt wird. Das hat den Hintergrund, daß dadurch das Hybrid-Leistungsversorgungssystem 100 einen höchst effizienten Betriebszustand während des Normalbetriebs als System als Ganzes einnimmt.
  • Wenn eine Fehlfunktion des FC-Systems 30 während des Normalbetriebs festgestellt wird, isoliert die Steuereinheit 300 das FC-System 30 vom Hybrid-Leistungsversorgungssystem 100 (Zeitpunkt t3). Die Erfassung einer Fehlfunktion des FC-Systems 30 kann beispielsweise auf Basis der beobachteten Werte der Qualität des Wasserstoffgases, welches im FC-System 30 hergestellt wird, oder des internen Widerstands des FC-Systems 30 ausgeführt werden. Die Isolation des FC-Systems 30 wird durch das Umlegen des FC-Schalters 32 in die "OFF" Position ausgeführt.
  • Sobald die Isolierung des FC-Systems 30 vom Hybrid-Leistungsversorgungssystem 100 bestätigt wurde, setzt die Steuereinheit 300 die Befehlsspannung des DC-DC-Wandlers auf die Spannung VL fest. Dadurch kann das sekundäre Leistungsversorgungssystem 20 mit hoher Effizienz arbeiten.
  • Sobald die Wiederherstellung des FC-Systems 30 bestätigt wurde, führt die Steuereinheit 300 einen Prozeß aus, um das FC-System 30 mit dem Hybrid-Leistungsversorgungssystem 100 zu verbinden. Die Bestätigung der Wiederherstellung des FC-Systems 30 kann beispielsweise auch auf Basis der beobachteten Werte der Qualität des im FC-System 30 produzierten Wasserstoffgases oder des internen Widerstands des FC- Systems 30 durchgeführt werden. Der Prozeß der Verbindung des FC-Systems 30 bezieht sich auf einen Arbeitsvorgang, welcher die Ausgangsspannung des DC-DC-Wandlers 21 auf die Spannung VH erhöht (Zeitpunkt t4).
  • Der Prozeß, welcher durch die Verbindung nach der Wiederherstellung des FC-Systems 30 (beginnend zum Zeitpunkt t5) ausgeführt wird, ist im wesentlichen identisch zum Prozeß, welcher durch die Verbindung nach dem Starten des FC-Systems 30 ausge-führt wird. Jedoch wird in dem Prozeß, welcher durch die Verbindung nach der Wiederherstellung des FC-Systems 30 ausgeführt wird, die Absenkrate der Ausgangsspannung des DC-DC-Wandlers 21 nach der Verbindung niedriger eingestellt als während des Prozesses, welcher durch die Verbindung nach dem Starten des FC-Systems 30 ausgeführt wird. Die Ausführung des Prozesses auf diese Weise geschieht unter Berücksichtigung der Tatsache, daß das FC-System einmal eine Fehlfunktion erfahren hat und erneut eine Fehlfunktion erfahren kann.
  • 7 zeigt ein Flußdiagramm, das den Inhalt der Steuerung des Hybrid-Leistungsversorgungssystems 100 der ersten Ausführungsform der Erfindung darstellt. In Schritt S 110 erkennt die Steuereinheit 300, ob die Verbindung des FC-Systems 30 möglich ist. [Die Erkennung,] ob die Verbindung des FC-Systems 30 möglich ist, kann auf Basis der Qualität des im FC-System 30 produzierten Wasserstoffgases ausgeführt werden, wie vorstehend beschrieben. Wenn festgestellt wird, daß die Verbindung des FC-Systems 30 möglich ist, setzt die Steuereinheit 300 das Verbindungsflag auf "ON". Im Schritt 5120 führt die Steuereinheit 300 eine Steuerung aus, um das FC-System 30 an das Hybrid-Leistungsversorgungssystem 100 anzuschließen.
  • 8 zeigt ein Flußdiagramm, das den Inhalt der FC-System-Verbindungssteuerung zeigt, die in Schritt S 120 ausgeführt wird. In Schritt S 121 erkennt die Steuereinheit 300, ob der FC-Schalter 32 auf "ON" oder "OFF" steht. Diese Erkennung kann beispielsweise durch das Vergleichen der Ausgangsspannung des FC-Systems 30 mit der Ausgangsspannung des sekundären Leistungsversorgungssystems 20 ausgeführt werden. Die Ausgangsspannung des FC-Systems 30 und die Ausgangsspannung des sekundären Leistungsversorgungssystems 20 kann unter Verwendung des Voltmeters 36 und des Voltmeters 22 entsprechend erfolgen.
  • Insbesondere wird, da die beiden normalerweise nahezu identisch sind bzw. im wesentlichen identisch sind, festgestellt, daß der FC-Schalter 32 auf "ON" steht, und der Prozeß fährt mit Schritt S125, der nachfolgend beschrieben wird, fort. Auf der anderen Seite wird, wenn diese beiden nicht übereinstimmen, festgestellt, daß der FC-Schalter 32 auf "OFF" steht, und der Prozeß fährt mit Schritt S 122 fort.
  • In Schritt S122 stellt die Steuereinheit 300 fest, ob das "Setze Verbindungsflag" auf "ON" steht. Für den Fall, daß das Verbindungsflag auf "OFF" steht, d. h. für den Fall, daß die Verbindung getrennt ist, fährt der Prozeß mit Schritt S130 (siehe 7) fort, wie später beschrieben wird. Auf der anderen Seite fährt, für den Fall, daß das Verbindungsflag auf "ON" steht, das bedeutet, für den Fall, dass die Verbindung aktiv ist, der Prozeß mit Schritt S 123 fort.
  • In Schritt S123 stellt die Steuereinheit 300 fest, ob die sekundäre Leistungsversorgungsspannung höher als die FC-Leerlaufspannung OCV ist. Wenn festgestellt wird, daß die sekundäre Leistungsversorgungsspannung höher als die FC-Leerlaufspannung OCV ist, fährt der Prozeß mit Schritt S 124 fort. In Schritt S 124 stellt die Steuereinheit 300 den FC-Schalter 32 auf "ON" und verbindet das FC-System 30 mit dem Hybrid-Leistungsversorgungssystem 100. Wenn andererseits nicht festgestellt wird, daß die sekundäre Leistungsversorgungsspannung höher als die FC-Leerlaufspannung OCV ist, fährt der Prozeß mit dem später beschriebenen Schritt S130 (siehe 7) fort.
  • In Schritt S125 andererseits stellt die Steuereinheit 300 auf die gleiche Weise wie in Schritt S 122 fest, ob das "Setze Verbindungsflag" auf "ON" steht. Für den Fall, daß das Verbindungsflag auf "OFF" steht, wird der FC-Schalter 32 unmittelbar auf "OFF" gestellt, um das FC-System 30 vom Hybrid-Leistungsversorgungssystem 100 zu isolieren, und der Prozeß fährt mit Schritt S130 fort. Wenn andererseits das Verbindungsflag auf "ON" steht, fährt der Prozeß mit Schritt S130 fort, ohne das FC-System 30 vom Hybrid-Leistungsversorgungssystem 100 zu isolieren. In Schritt S130 stellt die Spannungs-Befehlseinheit 310 (siehe 4), welche zur Steuereinheit 300 gehört, die Befehlsspannung des DC-DC-Wandlers 21 fest.
  • 9 zeigt ein Flußdiagramm, das die Logik der DC-DC-Wandler-Befehlsspannung zeigt. In Schritt S 131 erkennt die Spannungs-Befehlseinheit 310 auf die gleiche Weise wie in Schritt S121, ob der FC-Schalter 32 auf "ON" oder "OFF" steht. Wenn festgestellt wird, daß der FC-Schalter 32 auf "ON" steht, fährt der Prozeß mit Schritt S 123 fort. In Schritt S 135 wird die normale Steuerung, wie vorstehend beschrieben, ausgeführt. Auf der anderen Seite fährt der Prozeß, wenn festgestellt wird, daß der FC-Schalter 32 auf "OFF" steht, mit Schritt S132 fort.
  • In Schritt S132 stellt die Spannungs-Befehlseinheit 310 fest, ob das "Setze Verbindungsflag" auf "ON" oder "OFF" steht. Für den Fall, daß das Verbindungsflag auf "OFF" steht, das heißt, für den Fall, daß die Verbindung getrennt ist, fährt der Prozeß mit Schritt S133 fort. In Schritt S133 stellt die Spannungs-Befehlseinheit 310 die Befehlsspannung des DC-DC-Wandlers 21 ein, um mit der Ausgangsspannung der sekundären Zelle 23 übereinzustimmen. Das dient dazu, die Wandlungseffizienz des DC-DC-Wandlers 21 zu erhöhen und das sekundäre Leistungsversorgungssystem 20 effizient zu betreiben, während das FC-System 30 in isoliertem Zustand ist.
  • Auf der anderen Seite fährt der Prozeß, wenn festgestellt wird, daß das Verbindungsflag auf "ON" steht, das heißt, für den Fall, daß die Verbindung aktiv ist, mit Schritt S 134 fort. In Schritt S 134 setzt die Spannungs-Befehlseinheit 310 die Befehlsspannung des DC-DC-Wandlers 21 auf eine höhere Spannung als die FC-Leerlaufspannung OCV. Dadurch wird die Verbindung des FC-Systems 30 im Schritt S120 ermöglicht (siehe Schritte S 123 und S 124).
  • Auf diese Weise wird, wenn das FC-System, das eine Brennstoffzelle ist, welche mit den Leistungsversorgungsleitungen verbunden ist, die Klemmenspannung des sekundären Leistungsversorgungssystems 20, welches parallel mit dem FC-System 30 angeschlossen ist, dazu gebracht, über die Werte anzusteigen, welche sie im normalen Betrieb annehmen kann, so daß ein überhöhter Strom, der auftreten kann, wenn das FC-System 30 mit dem Leistungsversorgungssystem verbunden ist, unterdrückt werden kann.
  • C. Anordnung eines Hybrid-Leistungsversorgungssystems in der zweiten Ausführungsform der Erfindung
  • 10 zeigt ein vereinfachtes schematisches Schaubild eines mit dem Leistungsversorgungssystem ausgerüsteten elektrischen Autos gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung. Dieses elektrische Auto unterscheidet sich vom Fahrzeugsystem der ersten Ausführungsform (siehe 1) darin, daß das sekundäre Leistungsversorgungssystem 20 und die Steuereinheit 300 jeweils durch ein sekundäres Leistungsversorgungssystem 20a und eine Steuereinheit 300a ersetzt worden sind, und daß der FC-Schalter 32, welcher in Serie zwischen dem Brennstoffzellensystem 30 und der Leistungsversorgungsleitung 12 in der ersten Ausführungsform angeschlossen ist, entfernt wurde.
  • 11 zeigt eine Darstellung, welche die Anordnung des sekundären Leistungsversorgungssystems 20a der zweiten Ausführungsform der Erfindung darstellt. Das sekundäre Leistungsversorgungssystem 20a enthält eine bidirektionale DC-DC-Wandlerschaltung 21a und eine wiederaufladbare sekundäre Zelle 23a. Die sekundäre Zelle 23a ist so ausgebildet, daß sie, wenn die Laderate gleich oder größer als ein vorgegebener Wert ist, für den Fall der Versorgung mit Leistung eines hypothetischen Maximalwertes der vom Steuerkreis geforderten Leistung, Leistung mit einer Spannung liefern kann, welche höher ist als die Leerlaufspannung des FC-Systems 30. In dieser Ausführungsform entspricht der hypothetische Maximalwert der vom Steuerkreis geforderten Leistung der vorgegebenen elektrischen Leistung "in den Ansprüchen".
  • Die bidirektionale DC-DC-Wandlerschaltung 21a enthält eine Reihenschaltung auf der Seite der sekundären Zelle, eine Reihenschaltung auf der Verbraucherseite, einen induktiven Widerstand L und einen Kondensator C. Die Reihenschaltung auf der Seite der sekundären Zelle weist einen Schalter Q1 und einen Schalter Q2 auf. Die Reihenschaltung auf der Verbraucherseite enthält einen Schalter Q3 und einen Schalter Q4. In dieser Ausführungsform werden MOS-FETs als die vier Schalter Q1, Q2, Q3 und Q4 verwendet.
  • Die beiden Schalter Q 1 und Q2 der Reihenschaltung auf der Seite der sekundären Zelle sind wie nachfolgend beschrieben an der Seite der sekundären Zelle 23a verbunden. Ein Anschluß des Schalters Q 1 und ein Anschluß des Schalters Q2 sind an einem Verbindungspunkt J1 verbunden. Die andere Klemme bzw. der andere Anschluß des Schalters Q1 ist mit der Kathode der sekundären Zelle 23a verbunden. Der andere Anschluß des Schalters Q2 ist mit der Anode der sekundären Zelle 23a verbunden. Die Gate-Anschlüsse der zwei Schalter Q1 und Q2 sind mit der Steuereinheit 300a verbunden.
  • Die beiden Schalter Q3 und Q4 der Reihenschaltung auf der Verbraucherseite sind wie folgt an der Seite des Verbrauchers 200 verbunden. Ein Anschluß des Schalters Q3 und ein Anschluß bzw. eine Klemme des Schalters Q4 sind an einem Verbindungspunkt J2 verbunden. Der andere Anschluß bzw. die andere Klemme des Schalters Q3 ist mit der Kathode des Verbrauchers 200 verbunden. Der andere Anschluß des Schalters Q4 ist mit der Anode des Verbrauchers 200 verbunden. Die Gate-Anschlüsse der beiden Schalter Q3 und Q4 sind mit der Steuereinheit 300a verbunden.
  • Der induktive Widerstand (inductance) L ist zwischen dem Verbindungspunkt J1 und dem Verbindungspunkt J2 angeschlossen. Die Anode der sekundären Zelle 23a ist mit der Anode des Verbrauchers 200 verbunden.
  • Die bidirektionale DC-DC-Wandlerschaltung 21a kann bidirektional auf zwei Arten arbeiten: ein Modus bzw. eine Art, in welcher Leistung von Reihenschaltung auf der Seite der sekundären Zelle an die Reihenschaltung auf der Verbraucherseite geliefert wird, und ein Modus, in welchem Leistung von der Reihenschaltung auf der Verbraucherseite in Richtung der Reihenschaltung auf der Seite der sekundären Zelle geliefert wird. Diese Art des Betriebs wird realisiert durch einen geeigneten Herstellungs/Unterbrechungs-Betrieb der vier Schalter Q1, Q2, Q3 und Q4 durch die Steuereinheit 300a.
  • D. Betrieb eines Hybrid-Leistungsversorgungssystems in der zweiten Ausführungsform der Erfindung
  • 12 zeigt ein Flußdiagramm, das den Inhalt der Steuerung des Hybrid-Leistungsversorgungssystems 100a der zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt. In Schritt S210 stellt die Steuereinheit 300a fest, ob die Ausgangsleistung des FC-Systems 30 ermöglicht ist. Diese Erkennung ist eine Erkennung, ob das FC-System 30 Leistung ausgeben kann; in dieser Ausführungsform ist die Erfassung von identischem Inhalt wie die Erfassung der ersten Ausführungsform, ob eine Verbindung ermöglicht ist. Wenn festgestellt wird, daß ein Ausgang des FC-Systems 30 ermöglicht ist, setzt die Steuereinheit 300a das Ausgangsflag auf "ON". Der Anfangszustand des Ausgangsflags ist "OFF".
  • In Schritt S220 stellt die Spannungs-Befehlseinheit 310a (siehe 11), welche zur Steuereinheit 300a gehört, den Inhalt des Steuerbefehls der DC-DC-Wandlerschaltung 21a fest. Die DC-DC-Wandlerschaltung 21a hat einen Normal-Steuermodus und einen Kurzschlußmodus.
  • Der Normal-Steuermodus ist ein Betriebsmodus, in welchem DC-Leistung in jeglicher Spannung innerhalb eines vorgegebenen Bereichs auf die gleiche Weise ausgegeben wird, wie vom DC-DC-Wandler 21 der ersten Ausführungsform. Der Kurzschlußmodus ist ein Betriebsmodus, in welchem die sekundäre Zelle 23a und der Steuerkreis 40 kurzgeschlossen sind, um einen Wärmeverlust in der DC-DC-Wandlerschaltung 21a zu unterdrücken.
  • 13 zeigt ein Flußdiagramm, das die Logik des DC-DC-Wandler-Steuerbefehls zeigt. In Schritt S222 stellt die Spannungs-Befehlseinheit 310a fest, ob das Ausgangsflag auf "ON" oder "OFF" steht. Daraus resultierend fährt, für den Fall, daß das Ausgangsflag auf "OFF" steht, was bedeutet bzw. das heißt, der Ausgang gesperrt ist, der Prozeß mit Schritt S226 fort.
  • In Schritt S226 führt die Spannungs-Befehlseinheit 310a eine normale Steuerung aus. Insbesondere stellt die Spannungs-Befehlseinheit 310a die Befehlsspannung der DC-DC-Wandlerschaltung 21a abhängig vom Ladezustand der sekundären Zelle 23a auf die gleiche Weise ein, wie in der ersten Ausführungsform.
  • 14 zeigt ein Zeitdiagramm, das die in einer Zeitreihe an die Gate-Anschlüsse der vier Schalter Q1, Q2, Q3 und Q4 mittels der Steuereinheit 300a während einer Leistungsversorgung im normalen Steuerungsmodus angelegte Spannung darstellt. Mittels des Anlegens einer derartigen Spannung wird eine ON/OFF (Herstellen/Unterbrechen) Steuerung der vier Schalter Q1, Q2, Q3 und Q4 ausgeführt, wodurch die DC-Leistung der sekundären Zelle 23a ansteigt und an den Verbraucher 200 angelegt wird.
  • 15 zeigt eine Darstellung, die den Betriebszustand der bidirektionalen DC-DC-Wandlerschaltung 21a zeigt, wenn ein Verbraucher 200 mit Leistung versorgt wird. Insbesondere werden die nachfolgenden Spannungswandlungs-Arbeitsgänge mittels ON/OFF-Steuerung der vier Schalter Q1, Q2, Q3 und Q4 ausgeführt.
    • (1) Zum Zeitpunkt t10 (siehe 14) sind die beiden Schalter Q1 und Q4 auf "ON" und die Schalter Q2 und Q2 auf "OFF" (siehe 15(a)). Dadurch ist der induktive Widerstand L mit der Seite der sekundären Leistungsversorgung 3 angeschlossen. Zu diesem Zeitpunkt wird magnetische Energie am induktiven Widerstand L angesammelt.
    • (2) Zum Zeitpunkt t11 sind die beiden Schalter Q1 und Q4 auf "OFF" und die beiden Schalter Q2 und Q2 auf "ON" (siehe 15(b)). Dadurch ist der induktive Widerstand L mit der Seite des Verbrauchers 200 verbunden. Zu diesem Zeitpunkt wird die magnetische Energie, welche am induktiven Widerstand L angesammelt wurde, als Leistung auf die Seite des Verbrauchers 200 geliefert.
  • Die Spannung der an die Seite des Verbrauchers 200 gelieferten Leistung kann mittels der Steuereinheit 300a kontrolliert werden; welche das Betriebsverhältnis (ON-OFF Verhältnis) anpaßt. Wenn das Betriebsverhältnis groß ist, kann die Spannung der an die Seite des Verbrauchers 200 gelieferten Leistung erhöht werden, und wenn das Betriebsverhältnis niedrig ist, kann die Spannung der an die Seite des Verbrauchers 200 gelieferten Leistung vermindert werden. Zudem kann, wenn das Betriebsverhältnis gering ist, Leistung von der Seite des Verbrauchers 200 an die Seite der sekundären Zelle 23a geliefert werden, um die sekundäre Zelle 23a zu laden.
  • Hierbei werden "ON" und "OFF" im Betriebsverhältnis (ON-OFF Verhältnis) wie nachfolgend definiert. "ON" ist der Zustand, in welchem die beiden Schalter Q1 und Q4 auf "ON" stehen, und die beiden Schalter Q2 und Q2 auf "OFF" (siehe 15(a)). "OFF" ist der Zustand, in welchem die beiden Schalter Q1 und Q4 auf "OFF" stehen und die beiden Schalter Q2 und Q2 auf "ON" (siehe 15(b)).
  • Auf diese Weise führt die bidirektionale DC-DC-Wandlerschaltung 21a, wie der bidirektionale DC-DC-Wandler 21 der ersten Ausführungsform, Spannungswandlungs-Operationen aus, um die Seite des Verbrauchers 200 mit Leistung zu versorgen, wobei die Belastung in geeigneter Weise zwischen dem FC-System 30 und der sekundären Zelle 23a aufgeteilt ist.
  • In Schritt S224 (siehe 13) steuert die Steuereinheit 300a den DC-DC-Wandler 21 so, daß der Betriebsmodus im Kurzschlußmodus ist.
  • 16 zeigt eine Darstellung, welche den Betriebszustand der bidirektionalen DC-DC-Wandlerschaltung 21a im Kurzschlußmodus zeigt. Die Steuereinheit 300a fixiert die beiden Schalter Q1 und Q3 in der "ON" Position und fixiert die beiden Schalter Q2 und Q4 in der "OFF" Position. Mittels dieser Steuerung sind die Seite des Verbrauchers 200 und die Seite der sekundären Zelle 23a über den induktiven Widerstand L ohne eine Schaltbetätigung verbunden.
  • 17 stellt eine Darstellung dar, welche den Betriebszustand des Hybrid-Leistungsversorgungssystems 100a im Kurzschlußmodus zeigt. Wie aus 17 verstanden wird, sind der Verbraucher 200 und die sekundäre Zelle 23a lediglich über eine Leitung und den induktiven Widerstand L verbunden. Es wird verstanden, daß, da sowohl die Leitung als auch der induktive Widerstand L im wesentlichen keinen Leistungsverlust produzieren, der Schaltungsverlust und andere Leistungsverluste in der bidirektionalen DC-DC-Wandlerschaltung 21a im wesentlichen Null sind.
  • Wenn die bidirektionale DC-DC-Wandlerschaltung 21a im Kurzschlußmodus ist, gibt das FC-System 30 keine Leistung aus. Das liegt daran, daß die Ausgangsspannung der bidirektionalen DC-DC-Wandlerschaltung 21a im Kurzschlußmodus gleich der Ausgangsspannung der sekundären Zelle 23a ist, welche höher ist als Offenes-Ende-Spannung bzw. Leerlaufspannung des FC-Systems 30.
  • In Schritt S230 (siehe 12) beherrscht die Steuereinheit 300a die vom Steuerkreis benötigte Leistung. In dieser Ausführungsform wird die vom Steuerkreis benötigte Leistung unter Berücksichtigung der durch das Hybrid-Leistungsversorgungssystem 100a ausgebbaren Leistung festgestellt.
  • 18 zeigt ein Flußdiagramm, das ein Beispiel eines Prozesses zur Feststellung des Steuerkreis-Leistungsforderungs-Befehlsinhalts darstellt. Dieser Prozeß ist ein Pro zeß, welcher, für den Fall, daß der Betriebsmodus der bidirektionalen DC-DC-Wandlerschaltung 21a im Kurzschlußmodus ist, die geforderte Leistung auf die durch das Hybrid-Leistungsversorgungssystem 100 ausgebbare Leistung begrenzt, d.h. die durch die sekundäre Zelle 23a ausgebbare Leistung. Im Kurzschlußmodus ist die durch das Hybrid-Leistungsversorgungssystem 100 ausgebbare Leistung gleich der von der sekundären Zelle 23a ausgebbaren Leistung.
  • Wie angeführt, ist die sekundäre Zelle 23a in dieser Ausführungsform derart angeordnet, daß, wenn die Laderate gleich oder größer als ein vorbestimmter bzw. vorgegebener Wert ist, für den Fall, daß die Leistungsversorgung ein hypothetischer Maximalwertes der von der Antriebseinheit geforderten Leistung ist, sie Leistung mit einer Spannung liefern kann, welche höher als die Leerlaufspannung OCV des FC-Systems 30 ist.
  • In Schritt S231 schätzt die Steuereinheit 300a die vom Steuerkreis benötigte Leistung in Abhängigkeit von der Eingabe eines nicht dargestellten Beschleunigers auf die gleiche Weise wie in der ersten Ausführungsform ab.
  • In Schritt S232 stellt die Steuereinheit 300a fest, ob der Betriebsmodus der bidirektionalen DC-DC-Wandlerschaltung 21a im normalen Steuermodus oder im Kurzschlußmodus ist. Daraus resultierend fährt, für den Fall, daß der Betriebsmodus der Normalsteuermodus ist, der Prozeß mit Schritt S233 fort, und für den Fall, daß der Betriebsmodus der Kurzschlußmodus ist, fährt der Prozeß mit Schritt S234 fort.
  • In Schritt S233 entscheidet die Steuereinheit 300a über die in Schritt S231 geschätzte geforderte Leistung ohne Anpassung der von der Antriebseinheit geforderten Leistung. In Schritt S234 andererseits schätzt die Steuereinheit 300a die von der sekundären Zelle 23a ausgebbare Leistung ab. Das liegt daran, daß die von der sekundären Zelle 23a ausgebbare Leistung in Abhängigkeit vom Ladezustand der sekundären Zelle 23a variiert.
  • 19 zeigt einen Graph, der eine konstante Leistungsentladungskurve einer sekundären Zelle 23a darstellt. Die konstante Leistungsentladungskurve ist eine Kurve, welche die Beziehung der Spannung und der Laderate darstellt, wenn eine konstante Leistung ausgegeben wird. Wie aus der Zeichnung ersichtlich wird, variiert die sekundäre Zelle 23 in erheblichem Ausmaß in ihrem inneren Widerstand an zwei Stellen bei einer Laderate nahe 0% und einer Laderate nahe 100%, so daß für den Fall, daß die Laderate nahe 0% oder nahe 100% ist, dies mittels Erfassung dieser Variation mit dem Voltmeter 22 abgeschätzt werden kann.
  • Für den Fall, daß die sekundäre Zelle 23a in einem Zustand einer anderen Laderate ist, kann die Laderate mittels einer Zeitintegration des Stromwertes der Ladung/Entladung erfaßt werden, bis die Laderate eine der beiden Stellen nahe 0% und/oder nahe 100% erreicht.
  • Im Schritt S235 stellt die Steuereinheit 300a fest, ob die von der Antriebseinheit geforderte Leistung die von der sekundären Zelle 23a ausgebbare Leistung überschreitet. Diese Erfassung kann beispielsweise auf der Basis des Kriteriums erfolgen, daß für den Fall, daß die Leistung als die vom Steuerkreis geforderte Leistung geliefert wird, die Ausgangsspannung der sekundären Zelle 23a nicht unter die Offene-Ende-Spannung bzw. die Leerlaufspannung des FC-Systems 30 innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls, welches vorab festgestellt wurde, fällt. Daraus resultierend wird, für den Fall, daß sie diesen Wert nicht überschreitet, über die in Schritt S233 geschätzte geforderte Leistung entschieden, als wäre diese die von der Antriebseinheit in Schritt S233 geforderte Leistung, wohingegen für den Fall, daß sie diese überschreitet, der Prozeß mit Schritt 5236 fortfährt.
  • In Schritt S236 stellt die Steuereinheit 300a die geforderte Leistung in Abhängigkeit von der von der sekundären Zelle 23a ausgebbaren Leistung ein. In dieser Ausführungsform wird diese Einstellung mittels der Begrenzung der Ausgangsspannung der sekundären Zelle 23a ausgeführt, um nicht unter die Offene-Ende-Spannung des FC-Systems 30 innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls zu kommen. Das findet seine Begründung darin, da dadurch eine plötzliche Leistungsausgabe vom FC-System 30, welches nicht im leistungsausgangsaktiven Zustand befindlich ist, nicht auftritt.
  • Auf diese Weise ist in der zweiten Ausführungsform die sekundäre Zelle 23a derart angeordnet, daß sie für den Fall, daß die Laderate gleich oder größer als ein vorgegebener Wert ist, Leistung mit einer Spannung liefern kann, welche höher als die Leerlaufspannung OCV des FC-Systems 30 ist, unabhängig von der vom Steuerkreis geforderten Leistung, ferner ist sie angeordnet, daß sie für den Fall, daß die Laderate der sekundären Zelle 23a fällt, die vom Steuerkreis geforderte Leistung angepasst wird, so daß die Ausgangsspannung nicht unter die Offene-Ende-Spannung des FC-Systems 30 innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne bzw. eines vorgegebenen Zeitintervalls sinkt. Dadurch kann eine unbeabsichtigte Ausgabe vom FC-System 30 unterdrückt werden, während es möglich ist, das FC-System 30 in ein Hybrid-Leistungsversorgungssystem ohne einen Zwischenschalter zu installieren.
  • Darüber hinaus bietet diese Ausführungsform zudem den Vorteil, daß, wenn das FC-System 30 keine Leistung ausgeben kann, das Hybrid-Leistungsversorgungssystem 100a Schaltverluste in der DC-DC-Wandlerschaltung 21a vermeidet und Leistung mit hoher Effizienz liefert.
  • Das Kriterium zur Feststellung, ob die vom Steuerkreis benötigte Leistung die von der sekundären Zelle 23a ausgebbare Leistung überschreitet, ist nicht auf die vorstehend beschriebene Weise beschränkt und kann in Abhängigkeit der Charakteristik des Systems gewählt werden, nämlich der Brennstoffzellencharakteristik oder der Charakteristik der sekundären Zelle. Darüber hinaus ist eine Anordnung, wodurch die Ausgangsspannung der sekundären Zelle 23a überwacht wird, während die vom Steuerkreis geforderte Leistung umgehend in Reaktion auf einen Fall derselben begrenzt wird, ebenso denkbar.
  • Die "sekundäre Zelle" muß einfach wieder aufladbar sein und hat eine weitreichende Bedeutung, die nicht nur Batterien enthält, sondern auch Kondensatoren.
  • E. Variationsbeispiele
  • Diese Erfindung ist nicht auf die arbeitsfähigen Ausführungsformen, welche vorstehend diskutiert worden sind, begrenzt, sondern kann auf verschiedene Arten in der Praxis umgesetzt werden, ohne vom Geist derer abzuweichen, beispielsweise in den folgenden Variationsbeispielen.
    • E-1. Bei der ersten Ausführungsform ist, wenn das FC-System 30 an das Hybrid-Leistungsversorgungssystem 100 angeschlossen wird, die Klemmenspannung des sekundären Leistungsversorgungssystems 20 höher als die Leerlaufspannung des FC-Systems 30, aber eine Anordnung, wodurch beispielsweise erreicht wird, daß die Spannung in den Bereich der Leerlaufspannung ansteigt (aber weniger als die Leerlaufspannung ist), ist ebenso annehmbar. Das liegt daran, daß, wenn das FC-System 30 an das Hybrid-Leistungsversorgungssystem 100 angeschlossen wird, solange die Klemmenspannung des sekundären Leistungsversorgungssystems 20 ansteigt, selbst ohne Erreichen der Leerlaufspannung, ein überhöhter Strom vom FC-System 30, der die Brennstoffzelle darstellt, durch das Äquivalent des Anstiegs unterdrückt werden kann.
    • E-2. In dieser Ausführungsform ist ein sogenanntes Rücklaufdesign oder ON/OFF-Design als DC-DC-Wandler eingesetzt, aber es ist auch annehmbar, beispielsweise ein Vorwärtsdesign oder ein Gegentakt-Design zu verwenden. In den vorangehenden Ausführungsformen wird ein DC-DC-Wandler 21 verwendet, welcher einen Transformator nutzt, aber ein DC-DC-Wandler 21, der keinen Transformator nutzt, ist auch annehmbar.
    • E-3. In dieser Ausführungsform ist eine Diode D1 zur Verminderung des Gegenstromes zwischen der Leistungsversorgungsleitung 12 und dem FC-System 30 angeschlossen, aber ein Schalter, welcher ON/OFF gesteuert ist, um den Gegenstrom zu verhindern, ist auch annehmbar. In diesem Fall entspricht der Schalter der Gegenstrom-Vermeidungsvorrichtung in den Ansprüchen.
    • E-4. In der zweiten Ausführungsform ist die sekundäre Zelle so angeordnet, daß, wenn vorgegebene Leistung (ein hypothetischer Maximalwert der vom Steuerkreis geforderten Leistung) ausgegeben wird, die Klemmenspannung gleich oder größer als die Klemmenspannung ist, wenn die Brennstoffzelle offen ist, aber sie kann angeordnet sein, so daß die Spannung niedriger als diese ist. Das liegt daran, daß selbst wenn eine Anordnung, in welcher diese mittels des DC-DC-Wandlers ansteigt, ein spezieller Steuermodus, in welchem die Klemmenspannung eines sekundären Leistungsversorgungssystems gleich oder höher als die Klemmenspannung ist, wenn die Brennstoffzelle offen ist, realisiert werden kann. Jedoch ist bei einer Anordnung wie der vorherigen der Vorteil, daß, wenn der Betriebsmodus des DC-DC-Wandlers der Kurzschlußmodus ist, der spezielle Steuermodus realisiert werden kann.
    • E-5. In der zweiten Ausführungsform sind die sekundäre Zelle und der Verbraucher bzw. die Last oder Brennstoffzelle mittels der ON-OFF-Kombination der vier Schalter Q1, Q2, Q3 und Q4 kurzgeschlossen, welche zum Hochschalten und Herunterschalten im DC-DC-Wandler. verwendet werden; der Kurzschlußmodus kann beispielsweise jedoch auch durch das Vorsehen eines Kurzschlußschalters zwischen der sekundären Zelle und der Brennstoffzelle oder dem Verbraucher realisiert werden. Wenn der Kurzschlußmodus jedoch mittels der ON-OFF-Kombination der vier Schalter Q1, Q2, Q3 und Q4 realisiert wird, besteht darin der Vorteil, daß der Kurzschlußschalter entfallen kann und ein höchst zuverlässiges System leicht realisiert werden kann.
  • INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
  • Diese Erfindung ist anwendbar für Leistungsversorgungssysteme, welche mit Brennstoffzellen ausgestattet sind.
  • Zusammenfassung
  • Brennstoffzellensystem mit einer sekundären Zelle
  • Diese Erfindung stellt ein Leistungsversorgungssystem zur Versorgung eines Verbrauchers mit Leistung bereit. Das Leistungsversorgungssystem enthält: eine erste Leistungsversorgungsleitung und eine zweite Leistungsversorgungsleitung für eine Verbindung mit dem Verbraucher; ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, die zwischen der ersten Leistungsversorgungsleitung und der zweiten Leistungsversorgungsleitung angeschlossen ist; ein sekundäres Leistungsversorgungssystem, das parallel zur Brennstoffzelle zwischen der ersten Leistungsversorgungsleitung und der zweiten Leistungsversorgungsleitung angeschlossen ist; einen Schalter zum Öffnen und Schließen der Verbindung zwischen der Brennstoffzelle und der ersten Leistungsversorgungsleitung; sowie eine Steuervorrichtung zur Steuerung des sekundären Leistungsversorgungssystems und des Schalters. Die Steuervorrichtung ist derart konfiguriert, um das sekundäre Leistungsversorgungssystem zu steuern, eine Klemmenspannung des sekundären Leistungsversorgungssystems zu erhöhen, wenn die Brennstoffzelle mit der ersten Leistungsversorgungsleitung verbunden wird.

Claims (17)

  1. Leistungsversorgungssystem zur Versorgung eines Verbrauchers mit elektrischer Leistung, mit: einer ersten Leistungsversorgungsleitung und einer zweiten Leistungsversorgungsleitung zur Verbindung mit dem Verbraucher; einem Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, welche zwischen der ersten Leistungsversorgungsleitung und der zweiten Leistungsversorgungsleitung angeschlossen ist; einem sekundären Leistungsversorgungssystem, welches parallel zur Brennstoffzelle zwischen der ersten Leistungsversorgungsleitung und der zweiten Leistungsversorgungsleitung angeschlossen ist; einem Schalter zum Öffnen und Schließen der Verbindung zwischen der Brennstoffzelle und der ersten Leistungsversorgungsleitung; und einer Steuervorrichtung zur Steuerung des sekundären Leistungsversorgungssystems und des Schalters, wobei die Steuervorrichtung konfiguriert ist, um das sekundäre Leistungsversorgungssystem dazu anzusteuern, eine Klemmenspannung des sekundären Leistungsversorgungssystems zu erhöhen, wenn die Brennstoffzelle mit der ersten Leistungsversorgungsleitung verbunden wird.
  2. Leistungsversorgungssystem nach Anspruch 1, ferner mit: einer Gegenstromvermeidungseinrichtung, welche zwischen der Brennstoffzelle und der ersten Leistungsversorgungsleitung angeschlossen ist, wobei die Steuervorrichtung konfiguriert ist, um die Klemmenspannung des sekundären Leistungsversorgungssystems auf eine erste Spannung zu erhöhen, wenn die Brennstoffzelle an die erste Leistungsversorgungsleitung angeschlossen ist, wobei die erste Spannung gleich oder größer als eine elektrische Potentialdifferenz der offenen Anschlüsse der Brennstoffzelle ist.
  3. Leistungsversorgungssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuervorrichtung so konfiguriert ist, um die Klemmenspannung des sekundären Leistungsversorgungssystems auf eine zweite Spannung zu senken, nachdem die Brennstoffzelle an die erste Leistungsversorgungsleitung angeschlossen ist, wobei die zweite Spannung niedriger als eine elektrische Potentialdifferenz der offenen Anschlüsse der Brennstoffzelle ist.
  4. Leistungsversorgungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuervorrichtung so konfiguriert ist, um die Klemmenspannung des sekundären Leistungsversorgungssystems in Reaktion auf die Isolation der Brennstoffzelle von der ersten Leistungsversorgungsleitung auf eine Spannung zu senken, welche niedriger als eine elektrische Potentialdifferenz der offenen Anschlüsse der Brennstoffzelle ist.
  5. Leistungsversorgungssystem nach Anspruch 4, wobei das sekundäre Leistungsversorgungssystem eine wiederaufladbare sekundäre Zelle und einen DC-DC-Wandler aufweist, der dazu geeignet ist, eine Spannung der DC-Eingangsleistung, welche von der sekundären Zelle eingegeben wird, zur Ausgabe von DC-Leistung zu erhöhen oder zu senken; und die Steuervorrichtung konfiguriert ist, um in Reaktion auf die Isolation der Brennstoffzelle von der ersten Leistungsversorgungsleitung eine Steuerung zu beginnen, um die Ausgangsspannung des DC-DC-Wandlers näher an die Ausgangsspannung der sekundären Zelle als an die elektrische Potentialdifferenz der offenen Anschlüsse der Brennstoffzelle zu bringen.
  6. Leistungsversorgungssystem nach Anspruch 4, wobei das sekundäre Leistungsversorgungssystem eine wiederaufladbare sekundäre Zelle und einen DC-DC-Wandler aufweist, der dazu geeignet ist, eine Spannung der DC-Eingangsleistung, welche von der sekundären Zelle eingegeben wird, zur Ausgabe von DC-Leistung zu erhöhen oder zu senken; und die Steuervorrichtung konfiguriert ist, um in Reaktion auf die Isolation der Brennstoffzelle von der ersten Leistungsversorgungsleitung eine Steuerung zu beginnen, um die Ausgangsspannung des DC-DC-Wandlers nahe an die Ausgangsspannung der sekundären Zelle zu bringen.
  7. Leistungsversorgungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Steuervorrichtung konfiguriert ist, um die Brennstoffzelle von der ersten Leistungsversorgungsleitung zu isolieren, wenn die Brennstoffzelle in einem Zustand ist, in welchem sie nicht in der Lage ist, ein vorgegebenes Maß an elektrischer Leistung bereitzustellen.
  8. Steuervorrichtung zur Steuerung eines Leistungsversorgungssystems zur Bereitstellung elektrischer Leistung für einen Verbraucher, wobei das Leistungsversorgungssystem aufweist: eine erste Leistungsversorgungsleitung und eine zweite Leistungsversorgungsleitung zur Verbindung mit dem Verbraucher; ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, welche zwischen der ersten Leistungsversorgungsleitung und der zweiten Leistungsversorgungsleitung angeschlossen ist; ein sekundäres Leistungsversorgungssystem, welches parallel zur Brenn-Stoffzelle zwischen der ersten Leistungsversorgungsleitung und der zweiten Leistungsversorgungsleitung angeschlossen ist; und einen Schalter zum Öffnen und Schließen der Verbindung zwischen der Brennstoffzelle und der ersten Leistungsversorgungsleitung, wobei die Steuervorrichtung konfiguriert ist, um das sekundäre Leistungsversorgungssystem dazu anzusteuern, eine Klemmenspannung des sekundären Leistungsversorgungssystems zu erhöhen, wenn der Schalter gesteuert wird, um die Brennstoffzelle mit der ersten Leistungsversorgungsleitung zu verbinden.
  9. Verfahren zur Bereitstellung elektrischer Leistung für einen Verbraucher, mit den folgenden Schritten: (a) Bereitstellen einer ersten Leistungsversorgungsleitung und einer zweiten Versorgungsleitung zur Verbindung mit dem Verbraucher, eines Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzelle, welche zwischen der ersten Leistungsversorgungsleitung und der zweiten Leistungsversorgungsleitung angeschlossen ist, eines sekundären Leistungsversorgungssystems, welches parallel zur Brennstoffzelle zwischen der ersten Leistungsversorgungsleitung und der zweiten Leistungsversorgungsleitung angeschlossen ist, und eines Schalters zum Öffnen und Schließen der Verbindung zwischen der Brennstoffzelle und der ersten Leistungsversorgungsleitung; und (b) Steuern des sekundären Leistungsversorgungssystems und des Schalters, wobei der Schritt den Schritt der Steuerung des sekundären Leistungsversorgungssystems zur Erhöhung einer Klemmenspannung des sekundären Leistungsversorgungssystems während der Steuerung des Schalters zur Verbindung der Brennstoffzelle mit der ersten Leistungsversorgungsleitung enthält.
  10. Leistungsversorgungssystem zur Versorgung eines Verbrauchers mit elektrischer Leistung, mit: einer Brennstoffzellensystem mit einer Gegenstromvermeidungseinrichtung und einer Brennstoffzelle, wobei ein Anschluß der Gegenstromvermeidungseinrichtung mit einem Anschluß des Verbrauchers verbunden ist, wobei die Brennstoffzelle zwischen dem anderen Anschluß des Verbrauchers und dem anderen Anschluß der Gegenstromvermeidungseinrichtung angeschlossen ist; einem sekundären Leistungsversorgungssystem, welches parallel zur Brennstoffzelle angeschlossen ist; und einer Steuervorrichtung zur Steuerung des sekundären Leistungsversorgungssystems, wobei die Steuervorrichtung konfiguriert ist, um einen speziellen Steuermodus zu haben, um eine Klemmenspannung des sekundären Leistunsversorgungssystems auf eine Spannung, welche gleich oder höher als eine elektrische Potentialdifferenz der offenen Anschlüsse der Brennstoffzelle ist, zu erhöhen, um eine Ausgangsleistung der Brennstoffzelle zu halten.
  11. Leistungsversorgungssystem nach Anspruch 10, wobei die Steuervorrichtung konfiguriert ist, um den speziellen Steuermodus während eines bestimmten Zustandes auszufahren, der zumindest ein Starten der Brennstoffzelle sowie eine Fehlfunktion der Brennstoffzelle umfasst.
  12. Leistungsversorgungssystem nach Anspruch 10 oder 11, wobei das sekundäre Leistungsversorgungssystem eine wiederaufladbare sekundäre Zelle und einen DC-DC-Wandler aufweist, welcher dazu geeignet ist, eine Spannung der DC-Eingangsleistung, welche von der sekundären Zelle eingegeben wird, zur Ausgabe von DC-Leistung zu erhöhen oder zu senken, wobei die wiederaufladbare Zelle konfiguriert ist, um eine vorgegebene elektrische Leistung zu einer Spannung einer Klemmenspannung auszugeben, die gleich oder höher als eine elektrische Potentialdifferenz der offenen Anschlüsse der Brennstoffzelle ist, wobei der DC-DC-Wandler einen Kurzschlussmodus hat, um die wiederaufladbare sekundäre Zelle und die Brennstoffzelle kurzzuschließen, wobei der spezielle Steuermodus ein Steuermodus ist, um einen Betriebsmodus des DC-DC-Wandlers in den Kurzschlussmodus zu versetzen.
  13. Leistungsversorgungssystem nach Anspruch 10 oder 11, wobei die wiederaufladbare sekundäre Zelle einen ersten Leistungsanschluß und einen zweiten Leistungsanschluß hat, wobei der DC-DC-Wandler aufweist: einen ersten Verbraucheranschluß; einen zweiten Verbraucheranschluß; eine zweite Leistungsseiten-Reihenschaltung mit einem ersten Schalter und einem zweiten Schalter, wobei ein Anschluß des ersten Schalters und ein Anschluß des zweiten Schalters an einem ersten Anschlusspunkt verbunden sind, wobei der andere Anschluß des ersten Schalters an den ersten Leistungsanschluß angeschlossen ist, und wobei der andere Anschluß des zweiten Schalters mit dem zweiten Leistungsanschluß verbunden ist; eine verbraucherseitige-Reihenschaltung mit einem dritten Schalter und einem vierten Schalter, wobei ein Anschluß des dritten Schalters und ein Anschluß des vierten Schalters an einem zweiten Anschlusspunkt angeschlossen sind, wobei der andere Anschluß des dritten Schalters mit dem ersten Verbraucheranschluß verbunden ist, und wobei der andere Anschluß des vierten Schalters mit dem zweiten Verbraucheranschluß verbunden ist; und einen iduktiven Widerstand, der zwischen dem ersten Anschlusspunkt und dem zweiten Anschlusspunkt angeschlossen ist, wobei der zweite Leistungsanschluß mit dem zweiten Verbraucheranschluß verbunden ist, wobei der Kurzschlussmodus ein Betriebsmodus für die Steuervorrichtung zum Schließen des ersten Schalters und des dritten Schalters ist, sowie zum Öffnen des Verbindungssteuerungsschalters und des zweiten Schalters und des vierten Schalters.
  14. Brennstoffzellen-Automobil, das mit einer Brennstoffzelle ausgestattet ist, mit: dem Leistungsversorgungssystem nach einem der Ansprüche 9 bis 13; und einer Steuereinheit, welche konfiguriert ist, um ein Rad drehbar mit elektrischer Leistung, welche vom Leistungsversorgungssystem bereitgestellt wird, anzutreiben, wobei die Steuervorrichtung aufweist: einen sekundären Leistungssystembeobachter, der konfiguriert ist, um eine verfügbare elektrische Leistung, welche das sekundäre Leistungssystem bereitstellen kann, abzuschätzen; und eine Bestimmungseinheit für die geforderte Leistung, die konfiguriert ist, um eine geforderte elektrische Leistung der Steuereinheit in Reaktion auf die geschätzte verfügbare elektrische Leistung zu steuern.
  15. Brennstoffzellen-Automobil nach Anspruch 14, wobei der sekundäre Leistungssystem-Beobachter eine Spannung der elektrischen Leistung des sekundären Leistungssystems misst, wobei die Bestimmungseinheit für die geforderte Leistung konfiguriert ist, um ferner die geforderte elektrische Leistung der Steuereinheit in Reaktion auf die gemessene Spannung zu steuern.
  16. Steuervorrichtung zur Steuerung eines Leistungsversorgungssystems zur Bereitstellung von Leistung für einen Verbraucher, wobei das Leistungsversorgungssystem aufweist: ein Brennstoffzellensystem mit einer Gegenstromverhinderungseinrichtung und einer Brennstoffzelle, wobei ein Anschluß der Gegenstromvermeidungseinrichtung mit einem Anschluß des Verbrauchers verbunden ist, wobei die Brennstoffzelle zwischen dem anderen Anschluß des Verbrauchers und dem anderen Anschluß der Gegenstromvermeidungseinrichtung angeschlossen ist; und ein sekundäres Leistungsversorgungssystem, welches parallel zur Brennstoffzelle angeschlossen ist, wobei die Steuervorrichtung konfiguriert ist, um einen speziellen Steuermodus zu haben, um das sekundäre Leistungsversorgungssystem zu steuern, um eine Klemmenspannung des sekundären Leistungsversorgungssystems auf eine Spannung zu erhöhen, welche gleich oder höher als eine elektrische Potentialdifferenz der offenen Anschlüsse der Brennstoffzelle ist.
  17. Verfahren zur Bereitstellung elektrischer Leistung für einen Verbraucher, mit: (a) Bereitstellen eines Brennstoffzellensystems mit einer Gegenstromvermeidungseinrichtung und einer Brennstoffzelle, wobei ein Anschluß der Gegenstromvermeidungseinrichtung mit einem Anschluß des Verbrauchers verbunden ist, und wobei die Brennstoffzelle zwischen dem anderen Anschluß des Verbrauchers und dem anderen Anschluß der Gegenstromvermeidungseinrichtung angeschlossen ist; und (b) Steuern des sekundären Leistungsversorgungssystems wobei der Schritt einen speziellen Kontrollmodus enthält, um eine Klemmenspannung des sekundären Leistungsversorgungssystems auf eine Spannung zu erhöhen, welche gleich oder höher als eine elektrische Potentialdifferenz der offenen Anschlüsse der Brennstoffzelle ist.
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