DE112005000289B4 - Hybrid-Brennstoffzellensystem und Spannungswandlungs-Steuerverfahren dafür - Google Patents

Hybrid-Brennstoffzellensystem und Spannungswandlungs-Steuerverfahren dafür Download PDF

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Abstract

Hybrid-Brennstoffzellensystem (1), in dem eine Brennstoffzelle (22) und eine Elektrizitätsspeichereinrichtung (21) über einen Spannungswandler (20) verbunden sind,dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswandler (20) ein Dreiphasen-Brückenwandler ist, wobei der Wandler (20) eine Vielzahl von Phasen (P1, P2, P3) aufweist, das System (1) eine Steuereinrichtung (10) aufweist, die die Zahl der Phasen (P1, P2, P3), die vom Spannungswandler (20) verwendet werden, entsprechend einem Äquivalenzwert der Leistung, die durch den Spannungswandler (20) hindurchgeht, ändert,wobei der Spannungswandler (20) zwischen Mehrphasenbetrieb, in dem eine Vielzahl von Phasen (P1, P2, P3) in Betrieb sind, und Einzelphasenbetrieb, in dem eine einzelne Phase (P1, P2, P3) in Betrieb ist, wechselt,der Betrieb während des Mehrphasenbetriebs, wenn der Äquivalenzwert kleiner wird als ein erster Wert, zum Einzelphasenbetrieb wechselt,der Betrieb während des Einzelphasenbetriebs, wenn der Äquivalenzwert größer ist als ein zweiter Wert, der größer ist als der erste Wert, zum Mehrphasenbetrieb wechselt, undder Spannungswandler (20) mit angepasster Taktung geschaltet wird, so dass der Phasenunterschied zwischen den Phasen (P1, P2, P3) 120 Grad ist.

Description

  • Gebiet der Technik
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hybrid-Brennstoffzellensystem, in dem eine Brennstoffzelle und eine Elektrizitätsspeichereinrichtung über einen Spannungswandler verbunden sind und genauer ein Brennstoffzellensystem, das in der Lage ist, den Wirkungsgrad eines Hochspannungswandlers zu erhöhen. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Steuern der Spannungsumwandlung eines Hybrid-Brennstoffzellen-systems, in dem eine Brennstoffzelle und eine Elektrizitätsspeichereinrichtung über einen Spannungswandler verbunden sind.
  • Stand der Technik
  • In Brennstoffzellensystemen, die in Elektrofahrzeugen und dergleichen eingebaut sind, wird, um auf Lastschwankungen reagieren zu können, denen aufgrund des Ansprechverhaltens des Brennstoffzellensystems nicht gefolgt werden kann, manchmal ein Hybridsystem verwendet, das mit der Ausgangsklemme der Kraftstoffzelle verbunden ist und das die Batterieausgangsspannung erhöht oder senkt.
  • In dieser Art von Hybrid-Brennstoffzellensystem wurde eine Technik, die den Wirkungsgrad berücksichtigt, beispielsweise in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift JP 2002 - 118 979 A offenbart, in der das Verhältnis von maximaler Ausgangsleistung der Batterie und der Brennstoffzelle auf einen Bereich eingestellt wird, in dem die Brennstoffzelle insgesamt eine Ausgangsleistung von 65 - 80 % hat und die Verluste in einem Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler unterdrückt sind.
  • JP 2003 - 235 252 A offenbart ein Hybrid-Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, einer Elektrizitätsspeichereinrichtung und einem Spannungswandler. Der Spannungswandler weist eine Vielzahl von parallelen DC-DC-Wandlern auf. Die Anzahl der parallelen DC-DC-Wandler wird angepasst, um den Wirkungsgrad zu maximieren. In Caricchi F., Crescimbini, F., Di Napoli A., „20 kW Water-Cooled Prototype of a Buck-Boost Bidirectional DC-DC Converter Topology for Electrical Vehicle Motor Drives“, IEEE, 1995 wird ein bidirektionalen Brückenwandler für Fahrzeuge mit Elektromotor beschrieben.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Jedoch hat die genannte Technik nicht berücksichtigt, dass der Wirkungsgrad je nach der Art und Weise, wie der Wandler selbst genutzt wird, verbessert werden kann. Daher wird der Wandler nicht immer unter Bedingungen eines guten Wirkungsgrads genutzt, und es wurde kein optimaler Wirkungsgrad angestrebt.
  • Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Hybrid-Brennstoffzellensystem bzw. ein Verfahren zum Steuern der Spannungsumwandlung eines Hybrid-Brennstoff-zellen-systems bereitzustellen, die Wirkungsgradverbesserungen in dem Wandler erreichen.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein Hybrid-Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 2 bzw. durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 5. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Hybrid-Brennstoffzellensysteme sind in den Ansprüchen 3 bis 4 beschrieben.
  • Um das oben genannte Problem in einem Hybrid-Brennstoffzellensystem zu lösen, in dem die Brennstoffzelle und eine Elektrizitätsspeichereinrichtung über einen Spannungswandler verbunden sind, der eine Vielzahl von Phasen aufweist, schließt die vorliegende Erfindung eine Steuereinrichtung ein, welche die Zahl der Phasen, die vom Spannungswandler verwendet werden, entsprechend dem Äquivalenzwert der Leistung, die durch den Spannungswandler hindurch geht, ändert.
  • In einem Hybrid-Brennstoffzellensystem, in dem die Brennstoffzelle und eine Elektrizitätsspeichereinrichtung über einen Spannungswandler verbunden sind, ist die vorliegende Erfindung auch dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswandler eine Vielzahl von Phasen einschließt, und dass die Zahl der in Betrieb genommenen Phasen entsprechend dem Äquivalenzwert eines Eingangs/Ausgangs-Wandlungsenergievolumens oder eines Arbeitsvolumens des Spannungswandlers geändert werden kann.
  • Die vorliegende Erfindung schließt auch ein Verfahren zum Steuern der Spannungswandlung eines Hybrid-Brennstoffzellensystems ein, in dem die Brennstoffzelle und eine Elektrizitätsspeichereinrichtung über einen Spannungswandler verbunden sind, der eine Vielzahl von Phasen aufweist, wobei, wenn der Spannungswandler eine Vielzahl von Phasen einschließt, der Äquivalenzwert der Leistung, die durch den Spannungswandler hindurchgeht, gemessen wird und die Zahl der verwendeten Phasen entsprechend dem gemessenen Äquivalenzwert verändert wird.
  • Der Wandlungswirkungsgrad eines Spannungswandlers mit einer Vielzahl von Phasen variiert entsprechend der Eingangs/Ausgangs-Wandlungsenergie oder der Arbeitsleistung des Spannungswandlers. Im Allgemeinen variiert in einem Spannungswandler mit einer Vielzahl von Phasen die Energie, die während der Umwandlung verloren geht, anders ausgedrückt variieren die Verluste, entsprechend dem Äquivalenzwert der Leistung, die durch den Spannungswandler hindurch geht, beispielsweise der Eingangs/Ausgangs-Wandlungsenergie oder der Arbeitsleistung. Hierbei kann die Zahl der Phasen mit besserem Wirkungsgrad zwischen dem Wirkungsgrad im Falle des Betriebs mit einer Vielzahl von Phasen und dem Wirkungsgrad im Falle des Betriebs mit weniger Phasen variieren. Der Grund dafür ist, dass der Wirkungsgrad von der Gesamtwirkung der Reaktor-Kupferverluste, die in der Reaktorkomponente vorkommen, der Elementverluste, die aufgrund des Betriebs des IGBT und anderer Schaltelemente vorkommen, der Reaktor-Eisenverluste, die in der Reaktorkomponente vorkommen, usw. bestimmt wird. Entsprechend dem oben beschriebenen Aufbau ist es möglich, die Zahl der Phasen entsprechend dem Äquivalenzwert der Leistung, die durch den Spannungswandler hindurch geht, beispielsweise dem Äquivalenzwert eines Eingangs-/Ausgangsleistungs-Wandlungsenergievolumens oder eines Arbeitsvolumens, zu ändern, wodurch eine Spannungswandlung durch Auswählen der Phasenzahl mit höherem Wirkungsgrad durchgeführt werden kann, so dass es möglich ist, den Wirkungsgrad des Spannungswandlers stark zu erhöhen.
  • Hierbei ist in der vorliegenden Erfindung die „Elektrizitätsspeichereinrichtung“ nicht beschränkt und kann beispielsweise eine Nickel/Wasserstoff-Zelle oder ein Bleiakkumulator sein, entweder allein oder eine Vielzahl von laminierten Zellen.
  • Ebenso ist der „Spannungswandler“ ein Wandler (Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler) mit einer Vielzahl von Phasen und der Fähigkeit zur Umwandlung von Gleichstrom.
  • Ferner entspricht „Äquivalenzwert des Eingangs/Ausgangs-Umwandlungsenergievolumens oder des Arbeitsvolumens eines Spannungswandlers“ der Energie, die der Spannungswandlung zugeordnet ist oder der Arbeitsleistung des Spannungswandlers und entspricht genauer dem Wert der elektrischen Leistung, dem Wert des Stroms oder einem anderen Parameter. Das Kriterium für die Auswahl der Phasenzahl, die dem Spannungswandler einen guten Wirkungsgrad verleiht, ist nicht besonders beschränkt.
  • Falls der Spannungswandler beispielsweise ein Dreiphasen-Brückenwandler ist, wird die Zahl der verwendeten Phasen entsprechend dem Äquivalenzwert des Eingangs/Ausgangs-Umwandlungsenergievolumens oder dem Arbeitsvolumen des Spannungswandlers gesteuert. Ein Wandler, der als Dreiphasen-Brückenschaltung aufgebaut ist, ist geeignet.
  • Anders ausgedrückt ist es in dem obigen Aufbau, wenn der Äquivalenzwert unter einem vorgegebenen Wert liegt, wünschenswert, mit weniger Phasen zu arbeiten als wenn der Äquivalenzwert den vorgegebenen Wert erreicht oder übertrifft. Genauer nehmen die Reaktor-Kupferverluste und die Elementverluste einerseits zu, wenn die Eingangs/Ausgangs-Umwandlungsenergie oder die Arbeitsleistung von null ansteigt, aber die Reaktor-Eisenverluste sind praktisch konstant, unabhängig von der Größenordnung der Eingangs/Ausgangs-Umwandlungsenergie oder der Arbeitsleistung, und die Reaktor-Eisenverluste sind bei mehreren Phasen größer als bei einzelnen Phasen. Durch Kombinieren dieser Verluste wird bestimmt, dass der Gesamtwirkungsgrad bei mehreren Phasen höher ist als bei einer Einzelphase, wenn der Äquivalenzwert des Eingangs/Ausgangs-Umwandlungsenergievolumens oder des Arbeitsvolumens über einem bestimmten Wert liegt, aber bei dem Regime, wo der Äquivalenzwert kleiner ist als dieser Wert, ist der Wirkungsgrad der Einzelphasenoperation höher oder das Phänomen ist umgekehrt. Entsprechend diesem Aufbau ist der Betrieb, wenn der Äquivalenzwert der Eingangs/Ausgangs-Umwandlungsenergie oder der Arbeitsleistung in der relativ hohen Region ist, mehrphasig, aber in der Region, wo die Gesamtverluste umgekehrt sind, wird die Arbeit mit weniger Phasen als mehreren Phasen durchgeführt, so dass die Arbeit immer unter dem besten Wirkungsgrad durchgeführt wird.
  • Hierbei wird der „vorgegebene Wert“ so eingestellt, dass er dem Wert entspricht, bei dem der Gesamt-Wirkungsgrad des Spannungswandlers umkehrt, aber dieser Wert ist nicht notwendigerweise kritisch, und der Wert kann eingestellt und verändert werden wie geeignet, um die Betriebsstabilität und andere Umstände zu berücksichtigen.
  • In der vorliegenden Erfindung wechselt der Betrieb außerdem zwischen einem Mehrphasenbetrieb mit einer Vielzahl von Phasen und einem Einzelphasenbetrieb mit einer einzigen Phase, und es ist wünschenswert, dass während des Mehrphasenbetriebs, wenn der Äquivalenzwert kleiner ist als ein erster Wert, der Betrieb zur Einzelphase wechselt, und der Betrieb während des Einzelphasenbetriebs, wenn der Äquivalenzwert einen zweiten Wert, der größer ist als der erste Wert, übertrifft, zum Mehrphasenbetrieb wechselt.
  • Entsprechend diesem Aufbau bildet der Ablauf des Wechselns der Phasenzahl des Betriebs eine Hystereseschleife, so dass es möglich ist, den instabilen Pendelzustand, in dem nach dem Wechsel der Phasenzahl zur ursprünglichen Phasenzahl zurückgekehrt wird, zu eliminieren.
  • Hierbei werden der „erste Wert“ und der „zweite Wert“ so eingestellt, dass sie Werten entsprechen, bei denen der Gesamt-Wirkungsgrad des Spannungswandlers zwischen Mehrphasenbetrieb und Einzelphasenbetrieb umkehrt, aber diese Werte sind nicht unbedingt kritisch, und die Werte können nach Bedarf eingestellt und geändert werden, wobei die Betriebsstabilität und andere Umstände berücksichtigt werden.
  • Figurenliste
    • 1 ist ein Blockschema des Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Ausführungsform;
    • 2 ist ein Ablaufschema, welches das Steuerverfahren für das Hybrid-Brennstoffzellensystem entsprechend der vorliegenden Ausführungsform erläutert;
    • 3 ist ein Diagramm, das die Betriebshysterese in dem vorliegenden Hybrid-Brennstoffzellensystem zeigt;
    • 4 ist ein Diagramm, das die verschiedenen Arten von Verlustkennlinien eines Dreiphasen-Brückenwandlers zeigt; und
    • 5 ist ein Diagramm, das den Gesamt-Wirkungsgrad in einem Dreiphasen-Brückenwandler zeigt
  • Beste Weise, die Erfindung auszuführen
  • Die bevorzugten Ausführungsformen zur Verwirklichung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im folgenden mit Bezug auf die begleitende Zeichnung erläutert.
  • Die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die vorliegende Erfindung, die auf ein in einem Elektrofahrzeug installiertes Brennstoffzellensystem angewendet wird.
  • 1 zeigt eine Skizze des Gesamtsystems des vorliegenden Hybrid-Brennstoffzellensystems 1. Das Hybrid-Brennstoffzellensystem 1 schließt einen Gleichstrom/- Gleichstrom-Wandler 20, eine Sekundärbatterie 21, eine Brennstoffzelle 22, eine Rückflussschutzdiode 23, einen Wandler 24, einen Dreiphasenmotor 25, eine Verlangsamungseinrichtung 26, eine Welle 27, ein Fahrzeugrad 29, eine Leistungszufuhr-Steuereinrichtung 10 und eine Fahrsteuereinrichtung (ride controller) 11 ein.
  • Die Sekundärbatterie 21 ist eine Elektrizitätsspeichereinrichtung in der vorliegenden Erfindung, die eine vorgegebene Spannung ausgibt, indem sie eine Vielzahl von Batterieeinheiten, wie frei aufladbare Nickel/Wasserstoff-Zellen übereinander schichtet und in Reihe schaltet. Am Ausgangspol der Sekundärbatterie 21 ist ein Batteriecomputer 14, der in der Lage ist, mit der Leistungszufuhr-Steuereinrichtung 10 mittels eines Steuersignals Cb zu kommunizieren, bereitgestellt, welche den Ladungszustand der Sekundärbatterie 21 bei einem geeigneten Wert hält, so dass die Sekundärbatterie weder überladen noch zu stark entladen wird, und die dazu dient, die Sicherheit im Falle eines Ausfalls der Sekundärbatterie 21 zu gewährleisten. Die Ausgangsleistung der Sekundärbatterie 21 kann von einem Stromsensor 15 und einem Spannungssensor 16 gemessen werden.
  • Der Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 20 ist ein Spannungswandler, der elektrische Leistung, die auf der primären Seite eingegeben wird, in einen Spannungswert umwandelt, der von dem der primären Seite verschieden ist, und diesen ausgibt. In dieser Ausführungsform ist es durch Erhöhen der Gleichstrom-Ausgangsspannung der Sekundärbatterie 21 (z.B. etwa 200 V) auf eine höhere Gleichstromspannung (z.B. etwa 500 V) möglich, den dreiphasigen Motor 25 mit niedrigem Strom und hoher Spannung anzutreiben, um die elektrischen Verluste aufgrund der Leistungszufuhr zu verringern und um die Ausgangsleistung des Dreiphasenmotors 25 zu erhöhen. Der Gleichstrom/- Gleichstrom-Wandler 20 nutzt das Dreiphasen-Betriebsprinzip, und der spezifische Schaltungsaufbau ist der Aufbau einer dreiphasigen Brücken-Wandlerschaltung. Der Dreiphasen-Brückenwandler kombiniert einen Teil mit einer Schaltung, die der eines Wechselrichters ähnlich ist, der eine eingegebene Gleichstromspannung in eine Wechselstromspannung umwandelt, und einen Teil, der den Wechselstrom wieder gleichrichtet und in eine andere Gleichstromspannung umwandelt. Wie in 1 dargestellt, befinden sich zwischen den primären Eingangsklemmen und zwischen den sekundären Ausgangsklemmen des Wandlers ein Schaltanschluss Tr und ein Gleichrichter D jeweils in paralleler Verbindungsstruktur, dupliziert in zwei Stufen und in paralleler Dreiphasen (P1, P2, P3)-Verbindung aufgebaut. Die Zwischenpunkte der Zweistufenstruktur der primären Seite und der sekundären Seite sind jeweils durch einen Reaktor L verbunden. Ein Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) kann als Schaltanschluss Tr verwendet werden, und eine Diode kann als Gleichrichter D verwendet werden. Der Gleichstrom/- Gleichstrom-Wandler 20 wird mit angepasster Taktung geschaltet, so dass der Phasenunterschied zwischen den Phasen 120 Grad ist (2π/3). Jede Phase kann unabhängig betrieben werden, je nach einem Steuersignal Cc von der Leistungszufuhr-Steuereinrichtung 10. Der Ausgang des Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers 20 kann durch einen Stromsensor 17 und einen Spannungssensor 18 gemessen werden. Ebenso können der Eingangsstromwert, der Ausgangsstromwert, der Eingangsspannungswert und der Ausgangsspannungswert des Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers 20 an die Leistungszufuhr-Steuereinrichtung 10 durch den Stromsensor 15, den Stromsensor 17, den Spannungssensor 16 bzw. den Spannungssensor 18 ausgegeben werden.
  • Während des Betriebs unter Niedriglast oder während des Bremsens ist der Betrieb des Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers 20 die Regenerierung, der Dreiphasenmotor 25 arbeitet umgekehrt, um als Generator Elektrizität zu erzeugen, die Gleichstromspannung des Wandlers wird von der sekundären Seite zur primären Seite nach unten geteilt und die Sekundärbatterie 21 wird geladen.
  • Der Brennstoffzellen-Stapel 22 ist ein Stapel aus einer Vielzahl von einzelnen Zellen die in Reihe geschaltet sind. Der Aufbau einer einzelnen Zelle schließt einen Polymerelektrolytfilm oder ähnliches zwischen zwei Elektroden, eine Brennstoffelektrode und eine Luftelektrode, ein, der zwischen Separatoren angeordnet ist, um Brennstoffgas (Wasserstoff) und Luft oder Sauerstoff (Sauerstoff) zuzuführen. Die Brennstoffelektrode schließt eine Katalysatorschicht als Brennstoffelektrode ein, die auf einer porösen Trägerschicht bereitgestellt ist, und die Luftelektrode schließt eine Katalysatorschicht als Sauerstoffelektrode ein, die auf einer porösen Trägerschicht bereitgestellt ist.
  • Der Brennstoffzellenstapel 22 schließt ein Brenngaszufuhrsystem, ein Luftzufuhrsystem und ein Kühlwassersystem ein, die allgemein bekannt sind und in der Zeichnung nicht dargestellt sind, und durch Steuern der Zufuhrrate des Brenngases und der Zufuhrrate der Luft unter Verwendung dieser Systeme ist es möglich, eine beliebige Menge an elektrischer Leistung zu erzeugen.
  • Der Wandler 24 wandelt den Hochspannungs-Gleichstrom, dessen Spannung durch den Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 20 erhöht wurde, in Dreiphasen-Wechselstrom um, dessen Phasen um 120 Grad zueinander versetzt sind. Der Strom des Wandlers 24 wird von einem Steuersignal Ci von der Stromzufuhr-Steuereinrichtung 10, wie beim Wandler 20, gesteuert.
  • Der Dreiphasenmotor 25 ist die Haupt-Antriebskraft für das Elektrofahrzeug, und während der Verlangsamung erzeugt der Dreiphasenmotor 25 Regenerationsleistung. Die Verlangsamungseinrichtung 26 ist als Differential bekannt, und sie reduziert die hohen Drehzahlen des Dreiphasenmotors 25 auf eine vorgegebene Drehzahl, um zu bewirken, dass sich das Fahrzeugrad 29 dreht. Ein Fahrzeugrad-Geschwindigkeitssensor 28 ist an der Welle 27 bereitgestellt, und ein Fahrzeugrad-Geschwindigkeitsimpuls Sr wird an die Fahrsteuereinrichtung 19 ausgegeben.
  • Die Fahrsteuereinrichtung 11 ist ein Computersystem zum Steuern des Fahrzustands, das den Regenerierungswert, der vom Dreiphasenmotor 25 verlangt wird, aufgrund eines Bremspositionssignals Sb vom Bremspedal und des Fahrzeugrad-Geschwindigkeitspulses Sr ausgibt. Der verlangte Regenerationswert kann darüber hinaus aufgrund der Messsignale von einem Lenkwinkelsensor, einem Gierraten- und G-Sensor, einem Hauptzylinder-Drucksensor und einem Radzylinder-Drucksensor ausgegeben werden.
  • Die Leistungssteuereinrichtung 10 ist ein Computersystem für die Leistungszufuhrsteuerung und schließt z.B. eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) 101, einen RAM 102, einen ROM 103 und dergleichen ein. Ein Beschleunigungselement-Positionssignal Sa, ein Schaltpositionssignal Ss und Signale von vielen Sensorarten werden in die Leistungszufuhr-Steuereinrichtung 10 eingegeben, und die Leistungszufuhr-Steuereinrichtung 10 ist so programmiert, dass sie die vom Brennstoffzellen-Stapel 22 erzeugte Menge und das Drehoment vom Dreiphasenmotor 25 ableitet und die Gesamtsteuerung der elektrischen Leistungszufuhr einschließlich der Leistungsbilanz zwischen dem Brennstoffzellen-Stapel 22, dem Dreiphasenmotor 25 und der Sekundärbatterie 21 ausführt, wobei die Verluste im Wandler 20 und im Wechselrichter 24 addiert werden.
  • Nun wird der Betrieb des Hybrid-Brennstoffzellensystems 1 entsprechend der vorliegenden Ausführungsform erklärt. Zunächst werden die Verluste erklärt, die im Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 20 auftreten.
  • Im Allgemeinen schwankt in einem Spannungswandler mit einer Vielzahl von Phasen die verlorene elektrische Leistung, anders ausgedrückt schwanken die Verluste in dem Wandler, abhängig von der Leistung (dem Äquivalenzwert der Eingangs/Ausgangs-Umwandlungsenergie, der Arbeitsleistung), die durch den Spannungswandler hindurch geht. Hierbei kann die Phasenzahl mit besserem Wirkungsgrad zwischen dem Wirkungsgrad im Falle des Betriebs mit einer Vielzahl von Phasen und dem Wirkungsgrad im Falle des Betriebs mit weniger Phasen variieren. 4 zeigt beispielsweise die Verlustkennlinien für einen Dreiphasen-Brückenwandler, wie den Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 20. Wie in 4 dargestellt, schließen die Verluste in einem Dreiphasen-Brückenwandler die Reaktor-Kupferverluste ein, die in der Reaktorkomponente vorkommen, die Modulverluste, die im Zusammenhang mit dem Schaltanschluss des IGBT usw. vorkommen, und die Reaktor-Eisenverluste, die in der Reaktorkomponente vorkommen. Reaktor-Kupferverluste werden durch Spulen verursacht und nehmen zu, wenn die Durchgangsleistung ansteigt, und sind bei Einzelphasenbetrieb größer als bei Dreiphasenbetrieb. Modulverluste nehmen zu, wenn die Durchgangsleistung zunimmt und sind bei Einzelphasenbetrieb größer als bei Dreiphasenbetrieb. Im Gegensatz dazu variieren die Reaktor-Eisenverluste aufgrund von Magnetteilen im Reaktor L praktisch nicht, wenn die Durchgangsleistung zu- oder abnimmt, und die Verluste sind beim Dreiphasenbetrieb größer als beim Einzelphasenbetrieb.
  • 5 zeigt die Beziehung zwischen dem Gesamtverlust des Wandlers, der durch Addieren dieser Verluste erhalten wird, und dem Wirkungsgrad der Umwandlung im Wandler. Wie bereits gesagt, ist die Beziehung zwischen der Größe der Verluste bei einer einzigen Phase und bei drei Phasen für Reaktor-Kupferverluste und Modulverluste einerseits und Reaktor-Eisenverluste andererseits umgekehrt, und es gibt Unterschiede in den Änderungsverhältnissen. In einem Bereich, wo die Durchgangsleistung relativ hoch ist, sind daher die Verluste im Dreiphasenbetrieb, der mehr Phasen aufweist, kleiner als im Einzelphasenbetrieb, aber in dem Bereich unterhalb einer bestimmten Durchgangsleistung Pth kommt es zum umgekehrten Phänomen, die Verluste sind beim Einzelphasenbetrieb geringer als beim Dreiphasenbetrieb. Wenn man den Gesamt-Wandlungswirkungsgrad des Wandlers betrachtet, ist bei relativ geringer Durchgangsleistung der Wirkungsgrad im Einzelphasenbetrieb höher als der Wirkungsgrad im Dreiphasenbetrieb. Daher wird in der vorliegenden Erfindung in dem Bereich, wo die Durchgangsleistung relativ klein ist, der Einzelphasenbetrieb, der weniger Phasen aufweist, verwendet, und wenn die Durchgangsleistung hoch ist, wechselt der Betrieb in den Dreiphasenbetrieb, der mehr Phasen aufweist.
  • Hierbei ist es möglich, die Zahl der Phasen abhängig davon zu wechseln, ob die Durchgangsleistung größer oder kleiner ist als Pth, an welchem Punkt die Beziehung zwischen der Größe der Gesamtverluste für jede Phase umgekehrt wird, wobei aber die Ermittlung der Durchgangsleistung durch aktuelle Messungen problematisch ist. Je größer die Durchgangsleistung ist, desto größer sind außerdem die Probleme, die durch das Wechseln auftreten können, wie das Pendeln. Aus diesen Gründen wird in der vorliegenden Ausführungsform das Wechseln zwischen Einzelphase und Dreifachphase so gesteuert, dass es bei einer Durchgangsleistung stattfindet, die bis zu einem gewissen Grad klein ist. Wie in 5 dargestellt, sind ein erster Leistungswert P1 und ein zweiter Leistungswert P2 Schwellenwerte zum Wechseln der Phasenzahl.
  • Anders ausgedrückt wird, wie in 3 dargestellt, in der vorliegenden Ausführungsform, wenn der Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 20 im Dreiphasenbetrieb arbeitet, der Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 20 so gesteuert, dass er in den Einzelphasenbetrieb wechselt, falls die Durchgangsleistung kleiner wird als der erste Leistungswert P1 (z.B. 4 kW). Wenn er im Einzelphasenbetrieb ist, wird der Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler außerdem so gesteuert, dass er in den Dreiphasenbetrieb wechselt, falls die Durchgangsleistung über den zweiten Leistungswert P2 (z.B. 5 kW) hinausgeht, wobei dieser größer ist als der erste Leistungswert P1. Man hat diese zwei Schwellenwerte deshalb, um ein Pendeln (ein instabiles Phänomen wie eine Schwingung), was beim Wechseln auftreten kann, zu verhindern. Anders ausgedrückt bildet diese Art einer Betriebsfrequenz eine Hystereseschleife, wie in 3 dargestellt. Wenn die Zahl der Betriebsphasen verändert wird, ist daher der Zustand stabil, und ein instabiles Pendeln, bei dem nach dem Wechseln der Phasenzahl der Zustand zur Ausgangszustand zurückkehrt und erneut wechselt, kann eliminiert werden.
  • Nun wird der Leistungszufuhr-Steuerbetrieb des vorliegenden Hybrid-Brennstoffzellensystems 1 mit Bezug auf das Ablaufschema in 2 erklärt.
  • Zunächst nimmt die Leistungszufuhr-Steuereinrichtung 10 Bezug auf die Messsignale von einem Wasserstoffsensor (der beispielsweise im Gasströmungsweg auf der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels bereitgestellt ist) und von einem Temperatursensor (der beispielsweise im Brennstoffzellenstapel-Kühlwasserauslass bereitgestellt ist), welche in der Zeichnung nicht dargestellt sind, und bestimmt die Ausgangsstrom/- Ausgangsspannungs- (I/V-) Kennlinie des Brennstoffzellenstapels 22 (S1). Falls der zugeführte Druck des Wasserstoffgases festgelegt ist, ist die Beziehung zwischen dem Ausgangsstrom und der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle im Wesentlichen bestimmt. Diese Beziehung wird außerdem durch die Brennstoffzellen-Temperatur beeinflusst. Eine Tabelle von Daten, die diese Beziehung zwischen der Temperatur und der I/V-Kennlinie für jeden Wasserstoff-Zufuhrdruck bestimmt, ist im ROM 103 hinterlegt, und die Leistungszufuhr-Steuereinrichtung 10 kann die Ausgangsstrom/Ausgangsspannungs-Kennlinie entsprechend der gemessenen Temperatur durch Bezug auf diese Tabelle bestimmen. Falls keine Datentabelle vorliegt, die der gemessenen Temperatur entspricht, kann eine genäherte Ausgangsstrom/Ausgangsspannung unter Bezug auf die Datentabellen für Temperaturen oberhalb und unterhalb der gemessenen Temperatur und durch Bilden eines gewichteten Mittelwerts der Kennlinienwerte in den Datentabellen für die gemessene Temperatur berechnet werden.
  • Um die Last auf dem Hybrid-Brennstoffzellensystem 1 zu ermitteln, nimmt die Leistungszufuhr-Steuereinrichtung 10 Bezug auf das Beschleunigungselement-Positionssignal Sa (erforderlicher Beschleunigungswert) und das Schaltpositionssignal Ss (vorwärts, rückwärts, erforderlicher Übersetzungswert) (S2) und berechnet das Drehmoment (die Last), das vom Dreiphasenmotor 25 verlangt wird (S3). Dieses Drehmoment bestimmt die effektive elektrische Dreiphasen-Wechselstromleistung, die vom Wechselrichter 24 ausgegeben werden muss. Es werden auch die Leistungsverluste einbezogen, die im Wechselrichter 24 und im Wandler 20 auftreten, und die Leistungszufuhr-Steuereinrichtung 10 bestimmt die erforderliche Leistung Pr, die vom System insgesamt verlangt wird (S4).
  • Falls die Last gering ist, wird die Soll-Leistungserzeugung Pfc des Brennstoffzellen-Stapels 22, um die erforderliche Ausgangsleistung Pr zu liefern, anhand der Ausgangsstrom/Ausgangsspannungs-Kennline ermittelt (S5), und die Sekundärseitenspannung des Wandlers 20 wird vom Steuersignal Cc gesteuert, so dass die Ausgangsklemmenspannung so ist, dass die Leistungserzeugung Pfc ausgegeben werden kann. Falls nicht die ganze erforderliche Ausgangsleistung Pr vom Brennstoffzellenstapel 22 nur durch Ändern der Sekundärseitenspannung geliefert werden kann, steuert die Leistungszufuhr-Steuereinrichtung 10 die Änderung der Zufuhr von Brenngas oder Luft, um die I/V-Kennlinie zu ändern, um die fehlende Leistung zu liefern.
  • Während des Starts oder beim Beschleunigen oder zu anderen Zeiten, wenn die Last plötzlich zunimmt, gibt es Gelegenheiten, wo die plötzlich geänderte Last aufgrund des Ansprechverhaltens der Brennstoffzelle oder einer Ausgangsgrenze vorübergehend nicht durch Erhöhen der Brenngaszufuhr oder der Luftzufuhr geliefert werden kann. In diesen Situationen wird Leistung von der Sekundärbatterie 21 über den Wandler 20 zur sekundären Seite geliefert. In diesen Situationen ist eine Steuerung gemäß der vorliegenden Erfindung notwendig.
  • Die Leistungszufuhr-Steuereinrichtung 10 berechnet die elektrische Leistung, die von der Sekundärbatterie 21 zum Wechselrichter 24 geliefert werden muss, durch Ausführen einer Leistungsbilanzrechnung, anders ausgedrückt, sie berechnet die Durchgangsleistung Pc des Wandlers (S6). Wenn die Last gering ist, ist das Ergebnis der Leistungsbilanzrechnung, dass die Leistungsbilanz ausgeglichen ist, anders ausgedrückt, die Durchgangsleistung Pc des Wandlers ist praktisch null.
  • Falls das Ergebnis der Leistungsbilanzrechnung dagegen ist, dass ein Teil der Leistung von der Sekundärbatterie 21 zugeführt werden muss, ist die Durchgangsleistung Pc des Wandlers der Wert, der dem Defizit in der Leistungsbilanz entspricht.
  • Die Leistungszufuhr-Steuereinrichtung 10 ändert den Schwellenwert für die Änderung der Phasenzahl abhängig davon, ob der Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler 20 im Dreiphasenbetrieb ist oder nicht (S8). Anders ausgedrückt, falls der Betrieb aktuell dreiphasig ist (S8: JA), dann ist der Wirkungsgrad, wie aus 5 ersichtlich ist, gut, falls die Durchgangsleistung vergleichsweise hoch ist, und der Wirkungsgrad nimmt ab, wenn die Durchgangsleistung niedrig wird. Daher vergleicht die Leistungszufuhr-Steuereinrichtung 10 den ersten Leistungswert P1 mit der Durchgangsleistung Pc (S10), und falls die Durchgangsleistung Pc größer ist als der erste Leistungswert P1 (NEIN), dauert der Dreiphasenbetrieb an, aber falls die Durchgangsleistung Pc auf oder unter den ersten Leistungswrt P1 gesunken ist (JA), wird ein Steuersignal Cc ausgegeben, um in den Einzelphasenbetrieb zu wechseln, der wirksam ist, wenn die Durchgangsleistung relativ klein ist (S11).
  • Anders ausgedrückt, falls der Betrieb aktuell einphasig ist (S8: NEIN), dann ist der Wirkungsgrad gut, falls die Durchgangsleistung vergleichsweise niedrig ist, aber der Wirkungsgrad nimmt ab, wend die Durchgangsleistung groß wird. Daher vergleicht die Leistungszufuhr-Steuereinrichtung 10 den zweiten Leistungswert P2 mit der Durchgangsleistung Pc (S12), und falls die Durchgangsleistung Pc kleiner ist als der zweite Leistungswert P2 (NEIN), dauert der Einphasenbetrieb unverändert an, aber falls die Durchgangsleistung Pc auf oder über den zweiten Leistungswrt P2 gestiegen ist (JA), wird ein Steuersignal Cc ausgegeben, um in den Dreiphasenbetrieb zu wechseln, der wirksam ist, wenn die Durchgangsleistung relativ groß ist (S13).
  • Entsprechend dem oben beschriebenen Aufbau wurde die Leistungsbilanz geschätzt und die Wandler-Durchgangsleistung wurde abgeleitet, aber die Durchgangsleistung des Wandlers 20 kann auch durch Messen der Primärseitenleistung des Wandlers 20 durch den Stromsensor 15 und den Spannungssensor 16 und der Sekundärseitenleistung durch den Stromsensor 17 und den Spannungssensor 18 und durch Erhalten der Durchgangsleistung anhand der Differenz dieser beiden berechnet werden.
  • Entsprechend dem oben beschriebenen Verfahren der vorliegenden Ausführungsform wird die Zahl der Phasen so gewählt, dass der Wirkungsgrad bei dem Leistungswert der Durchgangsleistung Pc des Gleichstrom/Gleichstrom-Wandlers 20 gut ist, und der Betrieb wird mit dieser Phasenzahl durchgeführt, so dass ein Hybrid-Brennstoffzellensystem 1 mit gutem Wirkungsgrad bereitgestellt werden kann, wobei der Wandlerbetrieb berücksichtigt wird.
  • (Andere Ausführungsformen)
  • Neben den genannten Ausführungsformen können viele Arten von Modifikationen an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden.
  • Beispielsweise fand in den genannten Ausführungsformen der Wechsel zwischen Einzelphase und Dreifachphase statt, aber es ist auch möglich, einen Wechsel zwischen Dreiphasenbetrieb und Zweiphasenbetrieb oder einen Wechsel zwischen Zweiphasenbetrieb und Einzelphasenbetrieb zu steuern.
  • In den genannten Ausführungsformen wurde ein Dreiphasen-Brückenwandler als Beispiel verwendet, aber der Schaltungsaufbau ist nicht hierauf beschränkt. Vorausgesetzt, es liegt ein Mehrphasenbetrieb (zwei Phasen oder mehr) vor und der Wandler ist in der Lage, die Phasen unabhängig zu wechseln, kann die vorliegende Erfindung angewendet werden und kann so betrieben werden, dass die Wirkung der vorliegenden Erfindung erhalten wird.
  • In den genannten Ausführungsformen wechselte der Wandler zwischen Einzelphasenbetrieb und Dreiphasenbetrieb, aber es ist auch möglich, kontinuierlich zwischen Einzephase und Mehrfachphase in mehreren Schitten zu wechseln oder kontinuierlich von Mehrfachphase zu Einzelphase in mehreren Schritten zu wechseln, je nach Durchgangsleistung.
  • In den genannten Ausführungsformen wurde das Produkt von Strom und Klemmenspannung als Leistungswert im engen Sinn als die Wandler-Durchgangsleistung verwendet, aber es ist auch möglich, die Zahl der Phasen aufgrund des Äquivalenzwerts der Eingangs/Ausgangs-Wandlungsenergie oder der Arbeitsleistung oder des Stromwerts oder des Spannungswerts unter konstanten Bedingungen usw. zu ändern.
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Zahl der Phasen, die in Betrieb sind, entsprechend der Äquivalenzwertleistung, die durch den Spannungswandler hindurch geht, zu ändern, so dass es möglich ist, den Gesamt-Wirkungsgrad durch geeignete Auswahl der Phasenzahl zu verbessern, um einen guten Wirkungsgrad des Spannungswandlers zu erhalten. Daher kann die vorliegende Erfindung auf Systeme angewendet werden, in denen die Leistung, die durch einen Spanungswandler hindurch geht, sich häufig ändert, beispielsweise auf Fahrzeuge, Schiffe, Flugzeuge und andere bewegliche Systeme, Roboter, mobile elektronische Terminals und andere elektronische Systeme, in denen Brennstoffzellensysteme eingebaut sind.

Claims (5)

  1. Hybrid-Brennstoffzellensystem (1), in dem eine Brennstoffzelle (22) und eine Elektrizitätsspeichereinrichtung (21) über einen Spannungswandler (20) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswandler (20) ein Dreiphasen-Brückenwandler ist, wobei der Wandler (20) eine Vielzahl von Phasen (P1, P2, P3) aufweist, das System (1) eine Steuereinrichtung (10) aufweist, die die Zahl der Phasen (P1, P2, P3), die vom Spannungswandler (20) verwendet werden, entsprechend einem Äquivalenzwert der Leistung, die durch den Spannungswandler (20) hindurchgeht, ändert, wobei der Spannungswandler (20) zwischen Mehrphasenbetrieb, in dem eine Vielzahl von Phasen (P1, P2, P3) in Betrieb sind, und Einzelphasenbetrieb, in dem eine einzelne Phase (P1, P2, P3) in Betrieb ist, wechselt, der Betrieb während des Mehrphasenbetriebs, wenn der Äquivalenzwert kleiner wird als ein erster Wert, zum Einzelphasenbetrieb wechselt, der Betrieb während des Einzelphasenbetriebs, wenn der Äquivalenzwert größer ist als ein zweiter Wert, der größer ist als der erste Wert, zum Mehrphasenbetrieb wechselt, und der Spannungswandler (20) mit angepasster Taktung geschaltet wird, so dass der Phasenunterschied zwischen den Phasen (P1, P2, P3) 120 Grad ist.
  2. Hybrid-Brennstoffzellensystem (1), in dem eine Brennstoffzelle (22) und eine Elektrizitätsspeichereinrichtung (21) über einen Spannungswandler (20) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungswandler (20) ein Dreiphasen-Brückenwandler ist, wobei der Wandler (20) eine Vielzahl von Phasen (P1, P2, P3) aufweist, und die Zahl der in Betrieb genommenen Phasen (P1, P2, P3) entsprechend einem Äquivalenzwert des Eingangs/Ausgangs-Umwandlungsenergievolumens oder des Arbeitsvolumens des Spannungswandlers (20) geändert werden kann, wobei der Spannungswandler (20) zwischen Mehrphasenbetrieb, in dem eine Vielzahl von Phasen (P1, P2, P3) in Betrieb sind, und Einzelphasenbetrieb, in dem eine einzelne Phase (P1, P2, P3) in Betrieb ist, wechselt, und der Betrieb während des Mehrphasenbetriebs, wenn der Äquivalenzwert kleiner wird als ein erster Wert, zum Einzelphasenbetrieb wechselt, und der Betrieb während des Einzelphasenbetriebs, wenn der Äquivalenzwert größer ist als ein zweiter Wert, der größer ist als der erste Wert, zum Mehrphasenbetrieb wechselt.
  3. Hybrid-Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei, wenn der Äquivalenzwert kleiner ist als ein vorgegebener Wert, die Zahl der in Betrieb genommenen Phasen (P1, P2, P3) kleiner ist als die Zahl der in Betrieb genommenen Phasen (P1, P2, P3), wenn der Äquivalenzwert gleich groß ist wie oder größer ist als der vorgegebene Wert.
  4. Hybrid-Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1-3, wobei die Elektrizitätsspeichereinrichtung (21) mit einer primären Seite des Spannungswandlers (20) verbunden ist, die Brennstoffzelle (22) mit einer sekundären Seite des Spannungswandlers (20) verbunden ist und die Brennstoffzelle (22) mit einem Dreiphasenmotor (25) über einen Wechselrichter (24) verbunden ist, um diesem die elektrische Leistung der Brennstoffzelle (22) bereitzustellen.
  5. Verfahren zum Steuern der Spannungsumwandlung eines Hybrid-Brennstoffzellensystems (1), in dem eine Brennstoffzelle (22) und eine Elektrizitätsspeichereinrichtung (21) über einen Spannungswandler (20) verbunden sind, welches umfasst: wenn der Spannungswandler (20) mit einer Vielzahl von Phasen (P1, P2, P3) ausgestattet ist - Messen eines Aquivalenzwerts der Leistung, die durch den Spannungswandler (20) hindurchgeht, und Ändern der Zahl der Phasen (P1, P2, P3), die verwendet werden, entsprechend dem gemessenen Äquivalenzwert, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn der Äquivalenzwert kleiner ist als ein vorgegebener Wert, die Zahl der in Betrieb genommenen Phasen (P1, P2, P3) kleiner ist als die Zahl der in Betrieb genommenen Phasen (P1, P2, P3), wenn der Äquivalenzwert gleich groß ist wie oder größer ist als der vorgegebene Wert, wobei, wenn der Spannungswandler (20) zwischen dem Mehrphasenbetrieb, in dem eine Vielzahl von Phasen (P1, P2, P3) in Betrieb ist, und dem Einzelphasenbetrieb, in dem eine einzelne Phase (P1, P2, P3) in Betrieb ist, wechseln kann, der Betrieb während des Mehrphasenbetriebs in den Einzelphasenbetrieb gewechselt wird, wenn der Äquivalenzwert kleiner wird als ein erster Wert, und der Betrieb während des Einzelphasenbetriebs in den Mehrphasenbetrieb gewechselt wird, wenn der Äquivalenzwert größer ist als ein zweiter Wert, der größer ist als der erste Wert, und wobei der Spannungswandler (20) mit angepasster Taktung geschaltet wird, so dass der Phasenunterschied zwischen den Phasen (P1, P2, P3) 120 Grad ist.
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