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HINTERGRUND
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein
Fahrzeug.
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Derzeit
wird ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen und in der Praxis
verwendet, das eine Brennstoffzelle aufweist, die eine Zufuhr von
reaktivem Gas (einem Brenngas und einem Oxidierungsgas) erhält, um Leistung
zu erzeugen. Ein solches Brennstoffzellensystem ist mit einem Brennstoff-Zufuhrkanal
für die
Zufuhr des Brenngases, das von einer Brenngas-Versorgungsquelle,
wie einem Wasserstofftank, geliefert wird, zur Brennstoffzelle ausgestattet.
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Darüber hinaus
ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, das als Druckanpassungsventil,
das im Brennstoff-Zufuhrkanal vorgesehen ist und das den Druck des
Brenngases, das der Brennstoffzelle zugeführt wird, anpasst ein variables
Druckanpassungsventil aufweist, das in der Lage ist, einen Druck,
der von einer Druckquelle für
das Oxidierungsgas angelegt wird, auszuüben, um einen Druck des Brenngases,
das der Brennstoffzelle zugeführt
wird, anzupassen, (siehe z. B. die japanischen Patent-Offenlegungsschriften
JP 2005-150090 A JP 2001-434238 A .
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ZUSAMMENFASSUNG
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Gemäß dem variablen
Drucknpassungsventil, das in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift
JP 2005-150090 A offenbart
ist, kann ein Förderdruck
für ein
Brenngas gemäß einer
Betriebsbedingung geändert
werden. Jedoch wird auch ein solches variables Druckanpassungsventil
unvermeidlich durch Alterung und individuelle Unterschiede beeinflusst,
und eine Druckanpassungsgenauigkeit und eine Druckansprechempfindlichkeit
werden manchmal herabgesetzt.
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Die
vorliegende Erfindung wurde angesichts dieser Lage entwickelt, und
ein Ziel davon ist, dass ein Förderdruck
für ein
Brenngas auf geeignete Weise gemäß einem
Betriebszustand einer Brennstoffzelle geändert werden kann, um Einflüsse durch
Alterung und individuelle Unterschiede zu minimieren und um eine
zufriedenstellende Druckansprechempfindlichkeit sicherzustellen.
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Um
das genannte Ziel zu erreichen, ist ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden
Erfindung ein Brennstoffzellensystem, das Folgendes aufweist: eine
Brennstoffzelle, ein Brennstoff-Zufuhrsystem, das ein Brenngas zu
dieser Brennstoffzelle liefert; eine gaszustandsvariable Zufuhreinrichtung, die
einen Gaszustand auf einer Seite stromaufwärts von diesem Brennstoff-Zufuhrsystem
anpasst, um das Gas zu einer stromabwärtigen Seite zu liefern; und
(ein) Steuermittel zum Antreiben und Steuern der gaszustandsvariablen
Zufuhreinrichtung gemäß einem
Betriebszustand der Brennstoffzelle (einer Leistungsmenge, die von
der Brennstoffzelle erzeugt werden soll (einer Leistung, eines Stroms
und einer Spannung), einer Temperatur der Brennstoffzelle, einem
abnormalen Zustand des Brennstoffzellensystems, einem abnormalen
Zustand eines Brennstoffzellen-Hauptkörpers oder dergleichen), wobei
das Brennstoffzellensystem mit Lernmitteln versehen ist, um Antriebskennwerte
der gaszustandsvariablen Zufuhreinrichtung zu lernen, um einen Antriebsparameter
der gaszustandsvariablen Zufuhreinrichtung auf der Basis des Lernergebnisses
einzustellen.
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Gemäß einem
solchen Aufbau werden Schwankungen der Antriebskennwerte der gaszustandsvariablen
Zufuhreinrichtung aufgrund von Alterung und individueller Unterschiede
gelernt, und das Lernergebnis kann sich beim Antreiben und Steuern der
gaszustandsvariablen Zufuhreinrichtung niederschlagen. Es sei darauf
hingewiesen, dass der „Gaszustand” ein Zustand
(eine Strömungsrate,
ein Druck, eine Temperatur, eine Molkonzentration usw.) des Gases
ist und insbesondere die Gasströmungsrate
und/oder den Gasdruck einschließt.
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Die
gaszustandsvariable Zufuhreinrichtung kann ein elektromagnetischer
Antriebssysteminjektor sein, der Folgendes aufweist: einen inneren
Kanal, der die Seite stromaufwärts
von der gaszustandsvariablen Zufuhreinrichtung mit deren stromabwärtiger Seite
verbindet, einen Ventilkörper,
der beweglich im inneren Kanal angeordnet ist und in dem ein Öffnungsquerschnitt
des inneren Kanals gemäß einer Bewegungsposition
des Ventilkörpers
variiert wird, und einen Ventilkörper-Antriebsabschnitt,
der den Ventilkörper
mit einer elektromagnetischen Antriebskraft antreibt. Alternativ
dazu kann die Vorrichtung ein variabler Druckanpassungsregler sein,
wie ein Membran-Regler, bei dem ein Ventilkörper beispielsweise durch Luftdruck
oder einen Elektromotor über
eine Membran angetrieben wird.
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Beispiele
für die
Antriebskennwerte der gaszustandsvariablen Zufuhreinrichtung schließen eine Beziehung
zwischen einem einlassseitigen Gaszustand der Brennstoffzelle (einem
sekundären
Gaszustand der gaszustandsvariablen Zufuhreinrichtung) und einem
einlassseitigen Ziel-Gaszustand (einem sekundären Ziel-Gaszustand der gaszustandsvariablen
Zufuhreinrichtung), eine Beziehung zwischen dem einlassseitigen
Gaszustand der Brennstoffzelle (dem sekundären Gaszustand der gaszustandsvariablen
Zufuhreinrichtung) und einem erzeugten Strom, eine Beziehung zwischen
einem primären Gaszustand
und dem sekundären
Gaszustand der gaszustandsvariablen Zufuhreinrichtung und eine Beziehung
zwischen dem primären
Gaszustand der gaszustandsvariablen Zufuhreinrichtung und dem erzeugten
Strom der Brennstoffzelle ein.
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Beispiele
für Antriebsparameter
der gaszustandsvariablen Zufuhreinrichtung schließen eine Spritzmenge,
eine Spritzdauer, ein Lastverhältnis, eine
Antriebsfrequenz und einen Antriebsimpuls in einem Fall, wo die
gaszustandsvariable Zufuhreinrichtung der oben genannte elektromagnetische
Antriebssysteminjektor ist, ein, und die Beispiele schließen einen
angelegten Druck (z. B. einen Fluiddruck oder einen Federdruck)
ein, mit dem der Ventilkörper in
dem Fall, wo die gaszustandsvariable Zufuhreinrichtung der Membran-Regler
ist, über
die Membran in eine Öffnungs-
oder Schließungsrichtung
gedrängt wird.
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In
dem Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung kann das Lernmittel
die Antriebskennwerte der gaszustandsvariablen Zufuhreinrichtung
für jede
einzelne einer Vielzahl von Lernzonen, die einer Ausgabe der Brennstoffzelle
entsprechen, lernen. Alternativ dazu kann das Lernmittel die Antriebskennwerte
der gaszustandsvariablen Zufuhreinrichtung gemäß dem Zustand des Brenngases, das
der Brennstoffzelle zugeführt
wird, lernen.
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Gemäß diesem
Aufbau wird das Lernen der Antriebskennwerte der gaszustandsvariablen
Zufuhreinrichtung gemäß der Ausgabe
der Brennstoffzelle oder dem Zustand des Brenngases, das der Brennstoffzelle
tatsächlich
zugeführt
wird, durchgeführt,
so dass die Lerngenauigkeit besser wird. Darüber hinaus kann das Lernen
während
eines Betriebs der Brennstoffzelle durchgeführt werden. Ferner kann auch
dann, wenn der Gaszustand stark variiert (angepasst) wird, eine
Verschlechterung der Druckanpassungsgenauigkeit aufgrund der Alterung
und der individuellen Unterschiede verhindert werden.
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Beispiele
für die
Ausgabe der Brennstoffzelle schließen den erzeugten Strom ein.
Darüber
hinaus schließen
Beispiele für
den Zustand des Brenngases, das der Brennstoffzelle zugeführt wird,
einen Druck und eine Strömungsrate
des Brenngases, das der Brennstoffzelle zugeführt wird, den Primärdruck der
gaszustandsvariablen Zufuhreinrichtung und eine Kombination aus
Druck und/oder Strömungsrate mit
einem anderen Zustand ein.
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In
dem Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass
das Lernmittel das Lernen dann durchführt, wenn Schwankungen des
erzeugten Stroms der Brennstoffzelle und des Druckes des Brenngases,
das der Brennstoffzelle zugeführt
wird (der Gaszustand des Brenngases) konstant oder geringer sind.
Darüber
hinaus ist es möglich,
dass das Lernmittel das Lernen nicht zulässt, während das Brenngas-Zufuhrsystem
von einem Abgas des Brenngases, das von der Brennstoffzelle ausgetragen
wird, geleert wird.
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Gemäß diesem
Aufbau wird ein falsches Lernen unter Bedingungen, die sich für das Lernen
nicht eignen, verhindert, so dass die Genauigkeit der Antriebssteuerung
auf der Basis des Lernergebnisses verbessert wird.
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In
dem Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung kann während der
Herstellung des Systems der Antriebsparameter auf der Basis von
individuellen Unterschieden der gaszustandsvariablen Zufuhreinrichtung
eingestellt werden.
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Gemäß einem
solchen Aufbau kann der Antriebsparameter der gaszustandsvariablen
Zufuhreinrichtung unabhängig
von den individuellen Unterschieden optimiert werden, bevor das
Brennstoffzellensystem einem Nutzer übergeben wird.
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Ein
Fahrzeug gemäß der vorliegenden
Erfindung schließt
das Brennstoffzellensystem ein.
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Ein
solcher Aufbau schließt
das Brennstoffzellensystem ein, das in der Lage ist, die gaszustandsvariable
Zufuhreinrichtung, in der sich Schwankungen aufgrund von Alterung
und individuellen Unterschieden widerspiegeln, so anzutreiben und
zu steuern, dass eine zufriedenstellende Druckansprechempfindlichkeit
gewährleistet
werden kann.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung können ein
Brennstoffzellensystem mit einer zufriedenstellenden Druckansprechempfindlichkeit
unabhängig von
der Alterung und von individuellen Unterschieden einer gaszustandsvariablen
Zufuhreinrichtung und ein Fahrzeug geschaffen werden.
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BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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1 ist
ein Aufbauschema eines Brennstoffzellensystems gemäß einer
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung.
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2 ist
ein Ablaufschema, das ein Berechnungsverfahren für eine Injektor-Spritzdauer im Brennstoffzellensystem
von 1 zeigt;
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3 zeigt
ein Beispiel für
ein Kennfeld zur Verwendung bei der Durchführung von Schritt S3 des Ablaufschemas
von 2;
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4 zeigt
ein Beispiel für
ein Kennfeld zur Verwendung bei der Durchführung von Schritt S5 des Ablaufschemas
von 2;
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5 zeigt
ein Beispiel für
ein Kennfeld zur Verwendung bei der Durchführung von Schritt S11 des Ablaufschemas
von 2;
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6 ist
ein Ablaufschema, das ein Berechnungsverfahren für einen Lernwert im Kennfeld
zur Verwendung bei der Durchführung
von Schritt S11 des Ablaufschemas von 2 zeigt;
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7 zeigt
ein Beispiel für
ein Kennfeld zur Verwendung bei der Durchführung von Schritt S23 des Ablaufschemas
von 6;
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8 ist
ein Schema, das die Durchführung der
Schritte S25, S27 des Ablaufschemas von 6 zeigt;
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9 ist
ein Schema, das die Durchführung von
Schritt S29 des Ablaufschemas von 6 zeigt; und
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10 ist
ein Schema, das die Durchführung
der Schritte S31 bis S35 des Ablaufschemas von 6 zeigt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Ein
Brennstoffzellensystem 1 gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Zeichnung
beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform wird ein Beispiel
beschrieben, in dem die vorliegende Erfindung auf ein in einem Auto
eingebautes Leistungserzeugungssystem eines Brennstoffzellen-Fahrzeugs (eines
Fahrzeugs) angewendet wird. Zuerst wird ein Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 gemäß dieser Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf 1 beschrieben.
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Wie
in 1 dargestellt, schließt das Brennstoffzellensystem 1 gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
eine Brennstoffzelle 10 ein, die eine Zufuhr von reaktivem
Gas (Oxidierungsgas und Brenngas) erhält, um eine Leistung zu erzeugen,
und das System schließt
außerdem
ein Oxidierungsgas-Leitungssystem (ein Brenngas-Zufuhrsystem) 2,
das Luft als Oxidierungsgas zur Brennstoffzelle 10 liefert, ein
Wasserstoffgas-Leitungssystem 3, das ein Wasserstoffgas
als Brenngas zur Brennstoffzelle 10 liefert, eine Steuereinrichtung
(ein Steuermittel, ein Lernmittel) 4, die das gesamte System
als Einheit steuert, und dergleichen ein.
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Die
Brennstoffzelle 10 weist eine Stapelstruktur auf, bei der
eine benötigte
Zahl von Einheitszellen zum Empfangen der Zufuhr von reaktivem Gas,
um die Leistung zu erzeugen, gestapelt sind, und die Leistung, die
von der Brennstoffzelle 10 erzeugt wird, zu einer Leistungssteuereinheit
(PCU) 11 geschickt wird. Die PCU 11 schließt einen
Wechselrichter, der zwischen der Brennstoffzelle 10 und
einem Fahrmotor 12 angeordnet ist, einen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler
und dergleichen ein. Darüber
hinaus ist ein Stromsensor 13, der einen Strom während der
Leistungserzeugung erfasst, an der Brennstoffzelle 10 befestigt.
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Das
Oxidierungsgas-Leitungssystem 2 schließt einen Luftzufuhrkanal 21,
der das Oxidierungsgas (Luft), das von einem Befeuchter 20 befeuchtet
wird, zur Brennstoffzelle 10 liefert, einen Luftabfuhrkanal 22,
der ein Oxidierungsgas, das aus der Brenn stoffzelle 10 abgeführt wird,
zum Befeuchter 20 liefert, und einen Abgaskanal 23,
um das Oxidierungsgas zu leiten, das aus dem Befeuchter 20 abgeführt wird,
ein. Der Luftzufuhrkanal 21 ist mit einem Kompressor 24 versehen,
der das Oxidierungsgas aus Atmosphärenluft holt, um das Gas unter Druck
in den Befeuchter 20 einzuspeisen.
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Das
Wasserstoffgas-Leitungssystem 3 schließt einen Wasserstofftank 30 als
Brenngas-Zufuhrquelle ein, die das unter hohem Druck (z. B. 70 MPa)
stehende Wasserstoffgas erhält,
einen Wasserstoffgas-Zufuhrkanal 31 als Brenngas-Zufuhrkanal,
um das Wasserstoffgas des Wasserstofftanks 30 zur Brennstoffzelle 10 zu
liefern, und einen Zirkulationskanal 32, um ein Wasserstoffabgas,
das aus der Brennstoffzelle 10 abgeführt wird, zum Wasserstoffgas-Zufuhrkanal 31 zurückzuführen. Das
Wasserstoffgas-Leitungssystem 3 ist
eine Ausführungsform eines
Brennstoff-Zufuhrsystems der vorliegenden Erfindung.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass anstelle des Wasserstofftanks 30 ein
Reformer, der ein wasserstoffgasreiches reformiertes Gas aus einem
Brennstoff auf Kohlenwasserstoffbasis bildet, und ein Hochdruck-Gastank,
der das reformierte Gas, das von diesem Reformer gebildet wird,
unter hohen Druck setzt, um den Druck zu akkumulieren, als Brenngas-Zufuhrquelle
verwendet werden können. Alternativ
dazu kann ein Tank aus einer Wasserstoffgas absorbierenden Legierung
als Brenngas-Zufuhrquelle verwendet werden.
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Der
Wasserstoffgas-Zufuhrkanal 31 ist mit einem Sperrventil 33,
das die Zufuhr des Wasserstoffgases vom Wasserstofftank 30 blockiert
oder zulässt,
einem Regler 34, der den Druck des Wasserstoffgases anpasst,
und einem Injektor (einer gaszustandsvariablen Zufuhreinrichtung) 35 ausgestattet. Auf
einer Seite stromaufwärts
vom Injektor 35 sind ein Primärdrucksensor 41 und
ein Temperatursensor 42, die einen Druck bzw. eine Temperatur
des Wasserstoffgases im Wasserstoffgas-Zufuhrkanal 31 erfassen,
vorgesehen. Ferner ist auf einer Seite stromabwärts vom Injektor 35,
bei der es sich um eine Seite stromaufwärts von einem Vereinigungsabschnitt des
Wasserstoffgas-Zufuhrkanals 31 und des Zirkulationskanals 32 handelt,
ein Sekundärdrucksensor 43 vor gesehen,
der einen Druck des Wasserstoffgases im Wasserstoffgas-Zufuhrkanal 31 erfasst.
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Der
Regler 34 ist eine Vorrichtung, die einen Druck stromaufwärts vom
Regler (einen Primärdruck)
auf einen vorab eingestellten Sekundärdruck anpasst. In der vorliegenden
Ausführungsform
wird ein mechanisches Druckentlastungsventil, das den Primärdruck senkt,
als Regler 34 verwendet. Als Aufbau des mechanischen Druckentlastungsventils kann
ein bekannter Aufbau verwendet werden, der ein Gehäuse aufweist,
das mit einer Gegendruckkammer und einer Druckanpassungskammer versehen
ist, die über
eine Membran gebildet wird und in der der Primärdruck aufgrund des Gegendrucks
der Gegendruckammer auf einen vorgegebenen Druck reduziert wird,
um einen Sekundärdruck
in der Druckanpassungskammer zu bilden.
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In
der vorliegenden Ausführungsform
sind, wie in 1 dargestellt, zwei Regler 34 auf
der Seite stromaufwärts
vom Injektor 35 angeordnet, wodurch der Druck stromaufwärts vom
Injektor 35 effektiv gesenkt werden kann. Daher kann ein
Freiheitsgrad beim Design einer mechanischen Struktur (eines Ventilkörpers, eines
Gehäuses,
eines Kanals, einer Antriebseinrichtung und dergleichen) des Injektors 35 erhöht werden.
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Darüber hinaus
kann der Druck stromaufwärts
vom Injektor 35 gesenkt werden, so dass verhindert werden
kann, dass der Ventilkörper
des Injektors 35 sich aufgrund eines Temperaturunterschieds zwischen
dem Druck stromaufwärts
vom Injektor 35 und dem Druck stromabwärts vom Injektor nur schwer
bewegt. Daher kann ein Bereich für
die variable Druckanpassung des Drucks stromabwärts vom Injektor 35 erweitert
werden, und ein Sinken der Ansprechempfindlichkeit des Injektors 35 kann
verhindert werden.
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Der
Injektor 35 ist ein elektromagnetisch angetriebenes Öffnungs-/Schließungsventil,
bei dem der Ventilkörper
in einer vorgegebenen Antriebsperiode direkt mit einer elektromagnetischen
Antriebskraft angetrieben und entfernt von einem Ventilsitz angeordnet
wird, wodurch ein Gaszustand, wie eine Gasströmungsrate oder ein Gasdruck,
angepasst werden kann. Der Injektor 35 schließt den Ventilsitz ein,
der Spritz- bzw.
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Düsenlöcher aufweist,
die einen gasförmigen
Brennstoff, wie das Wasserstoffgas, ausspritzen, und schließt außerdem einen
Düsenkörper, der
den gasförmigen
Brennstoff zu den Spritzlöchern
liefert und leitet, und den Ventilkörper, der in axialer Richtung
(in Gasströmungsrichtung)
in Bezug auf diesen Düsenkörper beweglich
aufgenommen und gehalten wird, um die Düsenlöcher zu öffnen und zu schließen, ein.
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In
der vorliegenden Ausführungsform
wird der Ventilkörper
des Injektors 35 von einem Magnetventil angesteuert, bei
dem es sich um eine elektromagnetische Antriebsvorrichtung handelt,
und ein pulsartiger Erregerstrom, der zu diesem Magnetventil geliefert
wird, kann an- oder abgestellt werden, um einen Öffnungsquerschnitt jedes Spritzloches
in zwei Stufen, in mehreren Stufen, auf kontinuierliche (stufenlose)
Weise oder auf lineare Weise zu ändern. Eine
Gasauspritzungsdauer und ein Gasausspritzungszeitpunkt des Injektors 35 werden
auf der Basis eines Steuersignals, das von der Steuereinrichtung 4 ausgegeben
wird, gesteuert, wodurch eine Strömungsrate und ein Druck des
Wasserstoffgases exakt gesteuert werden.
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Im
Injektor 35 wird das Ventil (der Ventilkörper und
der Ventilsitz) direkt mit der elektromagnetischen Antriebskraft
auf und zu gesteuert, und eine Antriebsperiode des Ventils kann
in einer ansprechempfindlichen Region gesteuert werden, so dass
der Injektor eine hohe Ansprechempfindlichkeit aufweist.
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Um
das Gas mit einer geforderten Strömungsrate zur Seite stromabwärts vom
Injektor zu liefern, wird bzw. werden im Injektor 35 ein Öffnungsquerschnitt
(ein Öffnungsgrad)
und/oder eine Öffnungszeit
des Ventilkörpers,
der in einem Gaskanal des Injektors 35 vorgesehen ist,
geändert,
wodurch eine Strömungsrate
(oder eine Molkonzentration) des Gases, das zur stromabwärtigen Seite
(zur Seite einer Brennstoffzelle 10) geliefert wird, angepasst wird.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass der Ventilkörper des Injektors 35 geöffnet und
geschlossen wird, um die Gasströmungsrate
anzupassen, und dass der Druck des Gases, das zur Seite stromabwärts vom
Injektor 35 geliefert wird, im Vergleich zu dem Gas druck
auf der Seite stromaufwärts
vom Injektor 35 gesenkt wird, so dass der Injektor 35 als Druckanpassungsventil
(als Druckentlastungsventil, als Regler) angesehen werden kann.
Darüber
hinaus kann in der vorliegenden Ausführungsform der Injektor als
variables Druckanpassungsventil angesehen werden kann, das in der
Lage ist, einen Anpassungsumfang (einen Verringerungsumfang) des
Gasdrucks stromaufwärts
vom Injektor 35 zu ändern,
so dass der Druck einem geforderten Druck in einem vorgegebenen
Druckbereich auf der Basis eines Gasbedarfs entspricht.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass in der vorliegenden Ausführungsform,
wie in 1 dargestellt, der Injektor 35 auf der
Seite stromaufwärts
von einem Vereinigungspunkt A1 des Wasserstoffgas-Zufuhrkanals 31 und
des Zirkulationskanals 32 angeordnet ist. Darüber hinaus
ist, wie von gestrichelten Linien in 1 dargestellt,
in einem Fall, wo eine Vielzahl von Wasserstofftanks 30 als
Brenngas-Zufuhrquelle verwendet werden, der Injektor 35 auf
der Seite stromabwärts
von einem Abschnitt (einem Wasserstoffgas-Vereinigungsabschnitt A2), in dem die
Wasserstoffgasströme,
die von den Wasserstofftanks 30 geliefert werden, vereinigt
werden, angeordnet.
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Der
Zirkulationskanal 32 ist über einen Gas/Flüssigkeit-Separator 36 und
ein Abgasabfuhrventil 37 mit einem Abfuhrkanal 38 verbunden.
Der Gas/Flüssigkeit-Separator 36 sammelt
das enthaltene Wasser aus dem Wasserstoffabgas. Das Abgasabfuhrventil 37 arbeitet
auf der Basis eines Befehls von der Steuervorrichtung 4,
um das enthaltene Wasser, das vom Gas/Flüssigkeit-Separator 36 gesammelt
wird, und das Verunreinigungen einschließende Wasserstoffgas im Zirkulationskanal 32 aus
dem System auszutragen (abzuführen).
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Darüber hinaus
ist der Zirkulationskanal 32 mit einer Wasserstoffpumpe 39 versehen,
die das Wasserstoffabgas im Zirkulationskanal 32 verdichtet, um
das Gas in den Wasserstoffgas-Zufuhrkanal 31 einzuspeisen.
Es sei darauf hingewiesen, dass das Gas im Abfuhrkanal 38 von
einem Verdünner 40 verdünnt wird,
bevor es sich mit dem Gas im Abgaskanal 23 vereinigt.
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Die
Steuereinrichtung 4 erfasst einen Betätigungsumfang einer Beschleunigungsbetätigungseinrichtung
(eines Gaspedals oder dergleichen), die in einem Fahrzeug S vorgesehen
ist, und empfängt Steuerinformationen,
wie einen geforderten Beschleunigungswert (z. B. eine geforderte
Leistungserzeugungsmenge von einem Verbraucher, wie dem Fahrmotor 12),
um den Betrieb verschiedener Einheiten in dem System zu steuern.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass der Verbraucher ein gattungsmäßiger Leistungsverbraucher ist,
der außer
dem Fahrmotor 12 eine Hilfsmaschine (z. B. den Kompressor 24,
die Wasserstoffpumpe 39, einen Elektromotor einer Kühlpumpe
oder dergleichen), die für
den Betrieb der Brennstoffzelle 10 erforderlich ist, ein
Betätigungsglied
zur Verwendung in irgendeiner Art von Einrichtung (einer Gangschaltung,
einer Radsteuereinrichtung, einer Lenkeinrichtung, einer Aufhängung oder
dergleichen), die mit dem Fahren des Fahrzeugs S in Verbindung steht, eine
Klimakonditioniereinrichtung (eine Klimaanlage) in einem Insassenraum,
eine Beleuchtung oder eine Audioanlage einschließt.
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Die
Steuereinrichtung 4 besteht aus einem (nicht dargestellten)
Computersystem. Ein solches Computersystem besteht aus einer CPU,
einem ROM, einem RAM, einem HDD, einer Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle,
einer Anzeige und dergleichen, und die CPU liest jede Art von Steuerprogramm,
das im ROM hinterlegt ist, um das Programm auszuführen, wodurch
verschiedene Steueroperationen verwirklicht werden.
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Genauer
erfasst die Steuereinrichtung 4, wie in einem Ablaufschema
von 2 dargestellt, einen erzeugten Strom der Brennstoffzelle 10 (im
Folgenden als FC-Strom bezeichnet) mit dem Stromsensor 13 (Schritt
S1) und ermittelt einen FC-Ziel-Einlassdruck aus dem in Schritt
S1 erfassten FC-Strom beispielsweise mittels eines Kennfelds, das
in 3 dargestellt ist, d. h. eines Kennfelds, das
eine Beziehung zwischen dem FC-Strom,
der in Schritt S1 erfasst wird, und einem Ziel-Einlassdruck der
Brennstoffzelle 10 (im Folgenden als FC-Ziel-Einlassdruck bezeichnet),
der entsprechend einer ge forderten Ausgangsleistung in Bezug auf
die Brennstoffzelle 10 eingestellt wird (Schritt S3).
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Anschließend ermittelt
die Steuereinrichtung 4 einen F/F-Wert als Basis-Spritzzeit
des Injektors aus dem in Schritt S1 erfassten FC-Strom, beispielsweise
anhand eines in 4 dargestellten Kennfelds, d.
h. eines Kennfelds, das eine Beziehung zwischen dem FC-Strom und
eines Vorwärtsregelungs- bzw.
Feedforward-Terms (im Folgenden als F/F-Wert bezeichnet) als Basis-Spritzdauer
des Injektors zeigt (Schritt S5).
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Anschließend ermittelt
die Steuereinrichtung 4 eine Differenz (im Folgenden als
FC-Einlassdruckdifferenz bezeichnet) zwischen dem FC-Ziel-Einlassdruck,
der in Schritt S3 ermittelt wird, und einem aktuellen Einlassdruck
der Brennstoffzelle 10 (im Folgenden als FC-Einlassdruck
bezeichnet), der vom Sekundärdrucksensor 43 erfasst
wird (Schritt S7), und die Steuereinrichtung ermittelt einen Rückwärtsregelungs-
bzw. Feedback-Term (im Folgenden als F/B-Wert bezeichnet) der Injektor-Spritzzeit
als Korrekturwert zum Korrigieren (Verringern) dieser FC-Einlassdruckdifferenz
(Schritt S9).
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Anschließend ermittelt
die Steuereinrichtung 4 aus dem in Schritt S1 erfassten
FC-Strom einen gelernten Wert für
die Injektor-Spritzdauer als Lern-Term zum Korrigieren von Schwankungen
der Strömungsrate
aufgrund einer Alterung und von individuellen Unterschieden des
Injektors 35 mittels beispielsweise eines Kennfelds, das
in 5 dargestellt ist, d. h. eines Kennfelds, das
eine Beziehung zwischen dem FC-Strom und dem gelernten Wert zeigt (Schritt
S11).
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In
diesem in 5 dargestellten Kennfeld wechselt
der gelernte Wert für
jede konstante FC-Stromzone (Zonen 1 bis 6, in 5 durch
gestrichelte Linien eingeteilt), d. h. der gelernte Wert wechselt
für jede
einzelne von der Vielzahl von Lernzonen entsprechend einer Ausgabe
der Brennstoffzelle 10. Dieser gelernte Wert wird auf der
Basis eines Betriebszustands der Brennstoffzelle 10 auf
geeignete Weise eingestellt, wie nachstehend im Einzelnen beschrieben.
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Anschließend addiert
die Steuereinrichtung 4 den in Schritt S9 ermittelten F/B-Wert und den in Schritt
S11 ermittelten Lernwert zum F/F-Wert, der die Basis-Spritzdauer
des Injektors 35 ist, die in Schritt S3 ermittelt wird,
um die Spritzdauer (eine Spritzmenge) des Injektors 35 zu
ermitteln (Schritt S13).
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Es
sei darauf hingewiesen, dass in der vorliegenden Ausführungsform
die Spritzlöcher
des Injektors 35 in zwei Stufen, nämlich ganz offen und ganz geschlossen,
schalten, und diese Periode einer vollständigen Öffnung/vollständigen Schließung auf
einen konstanten Wert gesetzt ist, so dass eine konstante Korrelation
zwischen der Spritzmenge und der Spritzdauer besteht.
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Dann
gibt die Steuereinrichtung 4 ein Steuersignal aus, um eine
solche Spritzdauer des Injektors 35 zu verwirklichen, um
die Spritzdauer und den Spritzzeitpunkt des Injektors 35 zu
steuern und die Strömungsrate
und den Druck des Wasserstoffgases, das der Brennstoffzelle 10 zugeführt wird,
anzupassen.
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Nun
wird ein Rechenablauf für
den Lernwert, der im Schritt S11 von 2 verwendet
wird, mit Bezug auf das Ablaufschema von 6 beschrieben.
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Genauer
erfasst die Steuereinrichtung 4 den erzeugten Strom (den
FC-Strom) der Brennstoffzelle 10 mit dem Stromsensor 13 (Schritt
S21) und ermittelt eine Lernzone, die aus der Wasserstoffgas-Strömungsrate
gelernt werden soll, beispielsweise anhand eines Kennfelds, das
in 7 dargestellt ist, d. h. eines Kennfelds, das
eine Beziehung zwischen der Wasserstoffgas-Strömungsrate, die dem FC-Strom entspricht,
dem Primärdruck
(dem stromaufwärtsseitigen
Druck) des Injektors 35 und der Lernzone (einer Vielzahl
von Lernzonen, die der Ausgabe der Brennstoffzelle entsprechen),
die für
jeden einzelnen vorgegebenen Wasserstoffgas-Strömungsratenbereich eingestellt
wird, zeigt (Schritt S23).
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Es
sei darauf hingewiesen, dass in der vorliegenden Ausführungsform,
wie in 7 dargestellt, sechs Lernzonen, die durch gestrichelte
Linien eingeteilt sind, für
jede Wasserstoffgas-Strömungsrate, anders
gesagt, für
jeden FC-Strom eingestellt sind.
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Anschließend wird
entschieden, ob ein Änderungswert
des vom Stromsensor 13 erfassten FC-Stroms bei oder unter
einem vorgegebenen Wert liegt (ob eine Schwankung des erzeugten
Stroms der Brennstoffzelle konstant oder geringer ist) (Schritt S25, 8).
Wenn dieser Änderungswert
des FC-Stroms den vorgegebenen Wert übersteigt (Schritt S25: NEIN),
kehrt der Ablauf zu Schritt S21 zurück. Wenn der Wert bei oder
unter dem vorgegebenen Wert liegt (Schritt S25: JA), wird entschieden, ob
eine vorgegebene Zeit nach Eintritt in die aktuelle Stromzone vergangen
ist oder nicht (Schritt S27, 8). In diesen
Schritten S25, S27 wird auf der Basis des Stromänderungswerts und der Zeit,
die seit Eintritt in die aktuelle Stromzone vergangen ist, entschieden,
ob der Zustand ein stetiger Zustand ist.
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In
einem Fall, wo die vorgegebene Zeit seit Eintritt in die aktuelle
Stromzone noch nicht vergangen ist (Schritt S27: NEIN), kehrt der
Ablauf zu Schritt S21 zurück.
In einem Fall, wo die vorgegebene Zeit vergangen ist (Schritt S27:
JA), wird entschieden, ob die FC-Einlassdruckdifferenz, die auf
die gleiche Weise erhalten wird wie in Schritt S7 von 2,
bei oder unter einem vorgegebenen Wert liegt (ob die Schwankung
des Brenngasdrucks, der zur Brennstoffzelle geliefert wird, konstant
oder geringer ist) (Schritt S29, 9). Diese
Verarbeitung des Schritts S29 entscheidet, ob der gelernte Wert,
der im später beschriebenen
Schritt S33 auf der Basis der FC-Einlassdruckdifferenz gesetzt wird,
in einem geeigneten Bereich liegen kann, d. h. in einem für ein Lernen
geeigneten Zustand.
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Wenn
der Wert keinen lernbaren Zustand aufweist (Schritt S29: NEIN),
kehrt der Ablauf zu Schritt S21 zurück. Wenn der Wert den lernbaren
Zustand aufweist (Schritt S29: JA), werden ein vorheriger Wert und
ein aktueller Wert des Feedback-Terms (des F/B-Werts) der Injektor-Spritzdauer,
der auf die gleiche Weise ermittelt wird wie in Schritt S9 von 2,
integriert (Schritt S31).
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Anschließend wird
entschieden, ob die Häufigkeit
der Integrationen bei oder über
einer vorgegebenen Häufigkeit
liegt (Schritt S33). Wenn die Häufigkeit
geringer ist als die vorgegebene Häufigkeit (Schritt S33: NEIN),
kehrt der Ablauf zu Schritt S21 zurück. Wenn die Häufigkeit
bei oder über
der vorgegebenen Häufigkeit
liegt (Schritt S33: JA), wird der F/B-Wert der Injektor-Spritzdauer,
der in Schritt S31 integriert wurde, durch die Häufigkeit der Integrationen
geteilt, um einen Durchschnittswert zu ermitteln, und dieser Durchschnittswert
der F/B-Werte wird als aktueller Lernwert in der in Schritt S23
ermittelten Lernzone ermittelt (Schritt S35, 10).
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Die
Steuereinrichtung 4 lernt die Antriebskennwerte des Injektors 35 anhand
des oben geschilderten Prozesses. Wenn diese Antriebskennwerte in Bezug
auf alle Lernzonen 1 bis 6 gelernt werden, wird das in 5 dargestellte
Kennfeld erhalten, und dieses Kennfeld wird für jede Lernzone auf einmal
aktualisiert, wenn alle Bedingungen der Schritte S25, S27, S29 und
S33 von 6 erfüllt sind. Dieses Lernergebnis
spiegelt sich in der Einstellung der Antriebsparameter (in der vorliegenden
Ausführungsform
in der Spritzdauer) des Injektors 35 wider. Das heißt, die
Steuereinrichtung 4 der vorliegenden Ausführungsform
ist ein Beispiel für
ein Lernmittel.
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Wie
oben beschrieben, berechnet im Brennstoffzellensystem 1 gemäß der vorliegenden
Ausführungsform
die Steuereinrichtung 4 nicht nur eine Differenz zwischen
dem FC-Ziel-Eingangsdruck auf der Basis des FC-Stroms der Brennstoffzelle 10 und
des aktuellen FC-Eingangsdrucks, der vom Sekundärdrucksensor 43 erfasst
wird, d. h. den F/B-Wert für die
Verringerung der FC-Einlassdruckdifferenz, sondern lernt auch die
Schwankungen der FC-Einlassdruckdifferenz, die aufgrund der Alterung
und von individuellen Unterschieden des Injektors 35 erzeugt werden,
auf der Basis des FC-Stroms, um die Injektor-Spritzdauer auf der
Basis des Lernergebnisses einzustellen.
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Daher
kann der Förderdruck
des Wasserstoffgases während
des Betriebs der Brennstoffzelle 10 gemäß dem Betriebszustand auf geeignete
Weise verändert
werden. Außerdem
kann auch dann, wenn der Druck stark variiert, eine zufriedenstellende
An sprechempfindlichkeit gewährleistet
werden, unabhängig
von den Schwankungen aufgrund der Alterung und der individuellen
Unterschiede des Injektors 35. Darüber hinaus dient der Injektor 35 als
Ventil für die
Anpassung der Wasserstoffgas-Strömungsrate und
als variables Druckanpassungsventil, so dass selbstverständlich zusätzlich zur
Verbesserung der Druckansprechempfindlichkeit eine exakte Druckanpassung
verwirklicht werden kann.
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Ferner
werden in dem Brennstoffzellensystem 1 der vorliegenden
Ausführungsform
die Schwankungen der FC-Einlassdruckdifferenz nur in einem Fall
gelernt, wo der FC-Strom und der FC-Einlassdruck stabil sind, d.
h. nur in einem Zustand, der sich zum Lernen eignet. Daher wird
verhindert, dass Schwankungen der FC-Einlassdruckdifferenz aufgrund
eines anderen Faktors als der Alterung und der individuellen Unterschiede
des Injektors 35 fälschlich gelernt
werden, und es können
zufriedenstellende Übergangskennwerte
und Stabilität
erhalten werden.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass in der obigen Ausführungsform ein Beispiel beschrieben
wurde, in dem der Stromwert (der FC-Strom) während der Leistungserzeugung
der Brennstoffzelle 10 erfasst wird, und der gelernte Wert
auf der Basis dieses Stromwerts eingestellt wird, aber der gelernte
Wert kann auch auf Basis anderer physikalischer Größen, wie
eines Differenzwerts (eines Änderungsverhältnisses)
des FC-Stroms, eines
Spannungswerts und eines Leistungswerts der Brennstoffzelle 10 während der
Leistungserzeugung, der Temperatur der Brennstoffzelle 10,
des Primärdrucks
des Injektors 35, des sekundären Drucks des Injektors 35 und
der Wasserstoff-Strömungsrate,
eingestellt werden.
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Darüber hinaus
wird in der obigen Ausführungsform
das Lernen nur in einem Fall zugelassen, wo der FC-Strom und der
FC-Einlassdruck stabil sind, um ein falsches Lernen zu verhindern.
Jedoch kann die Steuereinrichtung auch eine Konfiguration des Betriebszustands
der Brennstoffzelle 10 (einen Startzustand, einen intermittierenden
Betriebszustand, einen Normalbetriebszustand, einen Abfuhrbetriebszustand,
einen abnormalen Zustand der Brennstoffzelle selbst, einen abnormalen
Zustand des Brennstoff zellensystems oder dergleichen) feststellen,
um das Lernen zu verhindern, beispielsweise im Abfuhrbetriebszustand.
Auch in diesem Fall kann ein falsches Lernen verhindert werden.
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Darüber hinaus
wurde in der obigen Ausführungsform
ein Beispiel beschrieben, in dem das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden
Erfindung in dem Brennstoffzellen-Fahrzeug S installiert wurde,
aber das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung
kann außer
im Brennstoffzellen-Fahrzeug S in jeder Art von Fahrzeug installiert
werden (in einem Roboter, einem Schiff, einem Flugzeug oder dergleichen).
Das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden
Erfindung kann auf ein stationäres
Leistungserzeugungssystem zur Verwendung als Leistungserzeugungsausrüstung für Konstruktionszwecke
(Haus, Gebäude
oder dergleichen) angewendet werden.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung können ein
Brennstoffzellensystem mit einer zufriedenstellenden Druckansprechempfindlichkeit
unabhängig vom
Alter und von individuellen Unterschieden einer gaszustandsvariablen
Zufuhreinrichtung sowie ein Fahrzeug geschaffen werden. Daher ist
die vorliegende Erfindung in großem Umfang in solchen geforderten
Brennstoffzellensystemen und Fahrzeugen anwendbar.