DE112007002001T5 - Mobiler Aufbau - Google Patents

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Abstract

Mobiler Aufbau, welcher aufweist:
eine Antriebskrafterzeugungsvorrichtung, die eine Kraft zum Antreiben des mobilen Aufbaus erzeugt;
eine Leistungsspeichervorrichtung, die dazu ausgelegt ist, der Antriebskrafterzeugungsvorrichtung Leistung zuzuführen;
eine Brennstoffzelle, die dazu ausgelegt ist, der Antriebskrafterzeugungsvorrichtung Leistung zuzuführen; und
eine Steuervorrichtung, die das Antreiben der Antriebskrafterzeugungsvorrichtung steuert,
wobei die Steuervorrichtung den Beginn des Antreibens der Antriebskrafterzeugungsvorrichtung durch die Leistungszufuhr der Leistungsspeichervorrichtung unterbindet, falls sich der mobile Aufbau beim Anfahren des mobilen Aufbaus auf einem Gefälle befindet.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen mobilen Aufbau wie etwa ein Brennstoffzellenfahrzeug. Genauer gesagt betrifft sie einen mobilen Aufbau, der eine Leistungsspeichervorrichtung und eine Brennstoffzelle als Vorrichtungen zum Zuführen von Leistung zu einer von einem Fahrmotor typisierten Antriebskrafterzeugungsvorrichtung aufweist.
  • Einschlägiger Stand der Technik
  • Bislang ist als ein Fahrzeug mit einem darin installierten Brennstoffzellensystem ein Fahrzeug bekannt, bei dem ein Fahrmotor mittels Leistungszufuhr von einer Sammelbatterie und einer Brennstoffzelle angetrieben wird ( JP-Patentoffenlegungsschrift Nr. 9-231991 ). Bei diesem Fahrzeug wird der Fahrmotor beim Anfahren des Fahrzeugs nur durch die Leistungszufuhr von der Sammelbatterie angetrieben, bis die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle stabilisiert ist. Nachdem die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle stabilisiert ist, wird der Fahrmotor dann unter Verwendung der Brennstoffzelle angetrieben.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Ein Fahrzeug hält manchmal an einem Hang. In der JP-Patentoffenlegungsschrift Nr. 9-231991 wird eine Anfahrsteuerung des Fahrzeugs am Hang jedoch nicht in Betracht gezogen. Auch wenn sich das Fahrzeug auf einem Gefälle befindet, beginnt die einzelne Sammelbatterie daher, den Fahrmotor anzutreiben, um das Fahrzeug zu starten, woraufhin dem Fahrmotor Leistung von der Brennstoffzelle zugeführt wird. Wenn aber ein erforderliches Drehmoment des Fahrmotors hoch ist, wie z. B. beim Anfahren, erhöht sich das Drehmoment des Fahrmotors schnell, sobald dem Fahrmotor die von der Brennstoffzelle erzeugte Leistung zugeführt wird. In diesem Fall könnte das Fahrzeug schnell den Hang hinunter beschleunigen, so dass das Fahrzeug übermäßig stark beschleunigt.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen mobilen Aufbau zur Verfügung zu stellen, der beim Anfahren eine schnelle Beschleunigung auf einem Gefälle unterdrücken kann.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe weist ein mobiler Aufbau der vorliegenden Erfindung folgendes auf: eine Antriebskrafterzeugungsvorrichtung, die eine Kraft zum Antreiben des mobilen Aufbaus erzeugt; eine Leistungsspeichervorrichtung und eine Brennstoffzelle, die in der Lage sind, der Antriebskrafterzeugungsvorrichtung Leistung zuzuführen; und eine Steuervorrichtung, die das Antreiben der Antriebskrafterzeugungsvorrichtung steuert. In einer Situation, in der sich der mobile Aufbau beim Anfahren des mobilen Aufbaus auf einem Gefälle befindet, unterbindet die Steuervorrichtung den Beginn des Antreibens der Antriebskrafterzeugungsvorrichtung durch die Leistungszufuhr der Leistungsspeichervorrichtung.
  • Nachdem beispielsweise ein Zustand erhalten wurde, in dem der Antriebskrafterzeugungsvorrichtung sowohl von der Brennstoffzelle als auch von der Leistungsspeichervorrichtung Leistung zugeführt werden kann, ist es daher möglich, mit dem Antreiben der Antriebskrafterzeugungsvorrichtung zu beginnen. Somit kann beim Anfahren eine plötzliche Zunahme eines Ausgangs der Antriebskrafterzeugungsvorrichtung unterdrückt werden, und beim Anfahren kann ein schnelles Beschleunigen des mobilen Aufbaus auf einem Gefälle unterbunden werden.
  • Hierbei ist die Leistungsspeichervorrichtung beispielsweise eine auf-/entladbare Sammelbatterie oder ein Kondensator, ist aber nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Die Antriebskrafterzeugungsvorrichtung ist beispielsweise ein Fahrmotor, ist aber nicht auf dieses Beispiel beschränkt. Der mobile Aufbau ist beispielsweise ein zwei- oder vierrädriges Fahrzeug, ein Zug, ein Flugzeug, ein Schiff oder ein Robot und weist einen Selbstantrieb auf, jedoch ist gemäß einem Aspekt ein Fahrzeug bevorzugt.
  • In der vorstehend genannten Situation ermöglicht es die Steuervorrichtung vorzugsweise, nach dem Abschluss des Startens der Brennstoffzelle oder gleichzeitig mit dem Abschluss des Startens mit dem Antreiben der Antriebskrafterzeugungsvorrichtung zu beginnen.
  • Folglich kann der mobile Aufbau innerhalb kurzer Zeit gestartet werden, während beim Losfahren ein schnelles Beschleunigung des mobilen Aufbaus auf einem Gefälle unterdrückt wird. In diesem Fall kann eine Leistungszufuhrquelle, die mit dem Antreiben der Antriebskrafterzeugungsvorrichtung beginnt, entweder die Leistungsspeichervorrichtung oder die Brennstoffzelle sein.
  • Vorzugsweise umfasst der mobile Aufbau eine erste Erfassungsvorrichtung zum Erfassen einer Schräglage des mobilen Aufbaus bezogen auf eine Strassenoberfläche. Hierbei kann die Steuervorrichtung auf der Grundlage der ersten Erfassungsvorrichtung bestimmen, ob der Beginn des Antreibens der Antriebskrafterzeugungsvorrichtung durch die Leistungszufuhr der Leistungsspeichervorrichtung unterbunden oder zugelassen werden soll.
  • Falls der mobile Aufbau eine vergleichsweise starke Schräglage aufweist, kann der Beginn des Antreibens der Antriebskrafterzeugungsvorrichtung durch die Leistungszufuhr der Leistungsspeichervorrichtung folglich unterbunden werden. Daher kann beim Losfahren ein schnelles Beschleunigen des mobilen Aufbaus auf einem Gefälle unterdrückt werden. Falls sich der mobile Aufbau hingegen auf einer gewöhnlichen Strasse und nicht an einem Hang befindet, so dass eine Schräglage des mobilen Aufbaus vergleichsweise gering ausgeprägt ist, kann der Beginn des Antreibens der Antriebskrafterzeugungsvorrichtung durch die Leistungszufuhr der Leistungsspeichervorrichtung zugelassen werden. Hierdurch kann eine Startzeit des mobilen Aufbaus verkürzt werden. Die erste Erfassungsvorrichtung ist beispielsweise ein G-Sensor (ein Längs-G-Sensor oder ein Quer-G-Sensor) oder ein Dreh- bzw. Gierratensensor
  • Vorzugsweise umfasst der mobile Aufbau eine zweite Erfassungsvorrichtung, um ein Anfahren des mobilen Aufbaus auf einem Gefälle in einer Aufwärtsrichtung oder einer Abwärtsrichtung zu erfassen. Wenn die zweite Erfassungsvorrichtung erfasst, dass der mobile Aufbau an einem Hang in der Abwärtsrichtung anfährt, kann die Steuervorrichtung daraufhin den Beginn des Antreibens der Antriebskrafterzeugungsvorrichtung durch die Leistungszufuhr der Leistungsspeichervorrichtung unterbinden.
  • Folglich kann das Anfahren des mobilen Aufbaus unter Berücksichtigung einer Anfahrrichtung des mobilen Aufbaus auf dem Gefälle gesteuert werden. Falls das Fahrzeug in der Aufwärtsrichtung des Hangs losfährt, kann das Anfahren daher so gesteuert werden, dass das Antreiben der Antriebskrafterzeugungsvorrichtung nicht generell unterbunden wird.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • 1 ist eine Konstruktionsskizze zur schematischen Darstellung eines in einem Fahrzeug installierten Brennstoffzellensystems;
  • 2 ist eine Seitenansicht des Fahrzeugs auf einem Gefälle;
  • 3A ist ein Zeitablaufdiagramm zur Darstellung der Steuerung des Fahrzeugs beim Anfahren; und
  • 3B ist ein Diagramm ähnlich der 3A, das ein Beispiel für eine Steuerung gemäß der vorliegenden Erfindung und ein Vergleichsbeispiel bezüglich einer Beziehung zwischen Zeit und Leistung beim Anfahren des Fahrzeugs zeigt.
  • Beste Ausführungsweise der Erfindung
  • Ein Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Nachfolgenden unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Hierbei wird ein Beispiel, bei dem das Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug installiert ist, als ein typisches Beispiel für einen mobilen Aufbau mit Selbstantrieb beschrieben.
  • Gemäß der Darstellung in 1 fährt ein Fahrzeug 100, indem es als Antriebskraftquelle einen Fahrmotor 7 (Leistungserzeugungsvorrichtung) verwendet, der mit Rädern 101L, 101R verbunden ist. Eine Leistungsquelle des Fahrmotors 7 ist ein Brennstoffzellensystem 1 mit einer Brennstoffzelle 2 und einer Leistungsspeichervorrichtung 3. Ein Gleichstromausgang vom Brennstoffzellensystem 1 wird von einem Wechselrichter 8 in einen Dreiphasen-Wechselstrom umgewandelt und an den Fahrmotor 7 geliefert. Bei einem Bremsvorgang des Fahrzeugs 100 wird der Fahrmotor 7 von den Rädern 101L, 101R angetrieben, und der Fahrmotor 7 arbeitet dann als ein Leistungsgenerator zum Erzeugen des Dreiphasen-Wechselstroms. Dieser Dreiphasen-Wechselstrom wird vom Wechselrichter 8 in einen Gleichstrom umgewandelt, um die Leistungsspeichervorrichtung 3 aufzuladen.
  • Der Fahrmotor 7 ist ein Elektromotor für den Erhalt einer Antriebskraft für die Fahrt des Fahrzeugs und besteht beispielsweise aus einem Dreiphasen-Synchronmotor. Ein maximaler Ausgang des Fahrmotors 7 beträgt beispielsweise 80 kW. Der Fahrmotor 7 kann in Form eines radintegrierten Motors verwendet werden, und es kann eine Konstruktion mit Zwei- oder Vierradantrieb angewendet werden. Hierbei sind dann zwei bzw. vier Wechselrichter 8 parallel mit einem Ausgangsanschluss der Brennstoffzelle 2 verbunden, und die jeweiligen Wechselrichter 8 können mit dem Fahrmotor 7 verbunden sein. Es ist anzumerken, dass der Wechselrichter 8 nicht benötigt wird, wenn ein Gleichstrommotor als der Fahrmotor 7 verwendet wird.
  • Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst die Brennstoffzelle 2, die Leistungsspeichervorrichtung 3, einen Hochspannungs-Gleichstromumrichter 4, eine Steuervorrichtung 13 und dergleichen. Die Leistungsspeichervorrichtung 3 ist über den Hochspannungs-Gleichstromumrichter 4 parallel mit der Brennstoffzelle 2 geschaltet. Der Hochspannungs-Gleichstromumrichter 4 ist zwischen die Leistungsspeichervorrichtung 3 und den Wechselrichter 8 geschaltet.
  • Die Brennstoffzelle 2 umfasst einen Stack-Aufbau, in dem eine große Zahl von Einzelzellen aufeinander geschichtet sind. Es gibt verschiedene Typen der Brennstoffzelle 2, beispielsweise einen Phosphorsäuretyp und einen Festoxidtyp. Bei der Brennstoffzelle 2 der vorliegenden Ausführungsform handelt es sich um einen Feststoffpolymerelektrolyt-Typ, der bei einer gewöhnlichen Temperatur starten kann und eine vergleichsweise kurze Startdauer aufweist. Der maximale Ausgang der Brennstoffzelle 2 beträgt beispielsweise 90 kW.
  • Ein von einem Luftkompressor 5 unter Druck zugeführtes Oxidationsgas strömt durch einen Zuführpfad 15 und wird einer Luftelektrode (Kathode) in der Brennstoffzelle 2 zugeführt. Ein in der Zellenreaktion der Brennstoffzelle 2 verbrauchtes Oxidationsabgas strömt durch eine Abgaspassage 16 und wird zur Aussenseite hin abgegeben. Die Abgaspassage 16 ist mit einem Druckregelventil 17, das einen Druck des der Brennstoffzelle 2 zuzuführenden Oxidationsgases reguliert, und einem Befeuchter 18 zum Befeuchten des Oxidationsgases mit dem Oxidationsabgas versehen.
  • Wasserstoffgas als ein Brennstoffgas strömt durch einen Zuführpfad 21 und wird einer Wasserstoffelektrode (Anode) in der Brennstoffzelle 2 zugeführt. Das Wasserstoffgas wird der Brennstoffzelle 2 beispielsweise aus einer Wasserstoffspeicherquelle 22 wie etwa einem Hochdruckwasserstofftank, der auf einer stromaufwärtigen Seite des Zuführpfades 21 vorgesehen ist, über eine Regeleinrichtung 23 zugeführt. Der Zuführpfad 21 ist mit einem Absperrventil 24 versehen, das ein Zuführen des Wasserstoffgases der Wasserstoffspeicherquelle 22 zum Zuführpfad 21 zulässt oder die Zufuhr unterbricht. Es ist anzumerken, dass der Brennstoffzelle 2 auch Wasserstoffgas zugeführt werden kann, das mittels Modifikation eines Materials wie etwa Alkohol oder komprimierten Erdgases erzeugt wurde.
  • Ein in der Zellenreaktion der Brennstoffzelle 2 verbrauchtes Wasserstoffabgas wird an einen Abgaspfad 25 abgegeben, von einer Wasserstoffpumpe 26 an den Zuführpfad 21 rückgeführt, und erneut der Brennstoffzelle 2 zugeführt. Ein Abgabepfad 27 ist an den Abgaspfad 25 angeschlossen und zweigt von diesem ab. Ein Auslassventil 28 am Abgabepfad 27 öffnet auf geeignete Weise während eines Betriebs des Brennstoffzellensystems 1, wodurch Verunreinigungen im Wasserstoffabgas zusammen mit dem Wasserstoffabgas an eine stromabwärtige Seite des Abgabepfads 27 abgegeben werden. Somit nimmt die Konzentration von Verunreinigungen im Wasserstoffabgas in einer Wasserstoffzirkulationsleitung ab, und die Wasserstoffkonzentration in dem zu zirkulierenden und zuzuführenden Wasserstoffabgas kann erhöht werden.
  • Die Leistungsspeichervorrichtung 3 ist eine auf-/entladbare Sammelbatterie, die als Hochspannungs-Leistungsspeichervorrichtung dient. Die Leistungsspeichervorrichtung 3 ist beispielsweise eine Nickel-Wasserstoff-Zelle oder eine Lithiumionenzelle, jedoch kann anstatt der Sammelbatterie auch ein Kondensator verwendet werden. Ein Ladungsbetrag der Leistungsspeichervorrichtung 3 wird von einem SOC(State of Charge)-Sensor 41 erfasst.
  • Die Leistungsspeichervorrichtung 3 unterstützt die Leistung in einem Zustand, in dem eine Ausgangsleistung nur der Brennstoffzelle 2 nicht ausreichend ist, beispielsweise während eines Beschleunigungsübergangs oder eines Hochlastbetriebs des Fahrzeugs 100. Ausserdem fährt das Fahrzeug 100 nur mit der Leistung der Leistungsspeichervorrichtung 3, wenn der Betrieb der Brennstoffzelle 2 angehalten ist oder wenn es unter dem Gesichtspunkt des Wirkungsgrades bevorzugt ist, den Betrieb anzuhalten, wie z. B. während das Fahrzeug 100 steht oder sich in einer Niedriglastfahrt befindet. Die Leistungskapazität der Leistungsspeichervorrichtung 3 kann gemäß den Fahrbedingungen des Fahrzeugs 100, einer Fahrfunktion wie etwa einer Höchstgeschwindigkeit, einem Fahrzeuggewicht oder dergleichen auf geeignete Weise eingestellt werden. Der maximale Ausgang der Leistungsspeichervorrichtung 3 ist geringer als derjenige der Brennstoffzelle 2 und beträgt beispielsweise 20 kW.
  • Der Hochspannungs-Gleichstromumrichter 4 ist ein Gleichspannungsumrichter. Der Hochspannungs-Gleichstromumrichter 4 hat die Funktion, den Gleichstrom-Spannungseingang von der Leistungsspeichervorrichtung 3 einzustellen, um die Spannung auf den Wechselrichter 8 hin auszugeben, sowie den Gleichstrom-Spannungseingang von der Brennstoffzelle 2 oder dem Fahrmotor 7 einzustellen, um die Spannung an die Leistungsspeichervorrichtung 3 auszugeben. Diese Funktionen des Hochspannungs-Gleichstromumrichters 4 ermöglichen das Aufladen und Entladen der Leistungsspeichervorrichtung 3. Die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 2 wird vom Hochspannungs-Gleichstromumrichter 4 gesteuert.
  • Ein Relais 51 (erste Abschalteinrichtung), das die Leistungszufuhr von der Leistungsspeichervorrichtung 3 zum Wechselrichter 8 abschalten kann, ist zwischen dem Hochspannungs-Gleichstromumrichter 4 und der Leistungsspeichervorrichtung 3 vorgesehen. Ein Relais 52 (zweite Abschalteinrichtung), das die Leistungszufuhr von der Brennstoffzelle 2 zum Wechselrichter 8 abschalten kann, ist zwischen dem Hochspannungs-Gleichstromumrichter 4 und der Brennstoffzelle 2 vorgesehen.
  • Obgleich dies nicht gezeigt ist, sind verschiedene Hilfsmaschinen zur Verwendung im Betrieb der Brennstoffzelle 2 vermittels eines Wechselrichters zwischen den Hochspannungs-Gleichstromumrichter 4 und die Brennstoffzelle 2 geschaltet. Bei der vorliegenden Ausführungsform entsprechen die Hilfsmaschinen dem Luftkompressor 5, der Wasserstoffpumpe 26 und dergleichen. Während eines Normalbetriebs der Brennstoffzelle 2 fließt die Leistung der Brennstoffzelle 2 nicht durch den Hochspannungs-Gleichstromumrichter 4 und wird den Hilfsmaschinen (5 und 26) zugeführt. Während einer Betriebsunterbrechung der Brennstoffzelle 2 und zu Beginn des Startens hingegen wird die Leistung der Leistungsspeichervorrichtung 3 den Hilfsmaschinen (5 und 26) über den Hochspannungs-Gleichstromumrichter 4 zugeführt.
  • Die Steuervorrichtung 13 ist als ein Mikrocomputer ausgeführt, in dem eine CPU (Zentralprozessor), ein ROM (Nurlesespeicher) und ein RAM (Direktzugriffsspeicher) enthalten sind. Die CPU führt gewünschte Berechnungen gemäß einem Steuerprogramm aus, um verschiedene Verarbeitungen und Steuerungen wie etwa eine Anfahrsteuerung des Fahrzeugs 100 durchzuführen, die weiter unten beschrieben sind. Der ROM speichert das Steuerprogramm und von der CPU zu verarbeitende Steuerdaten. Der RAM wird als verschiedene Betriebsbereiche hauptsächlich für die Steuerverarbeitung verwendet.
  • Die Steuervorrichtung 13 ist mit dem SOC-Sensor 41 und verschiedenen Druck- und Temperatursensoren zur Verwendung in einem Gassystem des Oxidationsgases und des Wasserstoffgases sowie in einem Kühlsystem verbunden. Ausserdem ist die Steuervorrichtung 13 mit einem Fahrpedalposition-Sensor 61 verbunden, der einen Fahrpedal-Betätigungsgrad des Fahrzeugs 100 erfasst, sowie einem Längs-G-Sensor 62 und einem Quer-G-Sensor 63, die zusätzlich zu einem Schlingerwinkelsensor und einem Fahrzeuggeschwindigkeit-Sensor in dem Fahrzeug 100 installiert sind.
  • Der Längs-G-Sensor 62 erfasst die Schräglage des Fahrzeugs 100 in einer Vorwärts- und Rückwärtsrichtung (Fahrtrichtung) bezogen auf die Strassenoberfläche. Der Quer-G-Sensor 63 erfasst die Schräglage des Fahrzeugs 100 in einer Links-Rechts-Richtung (Breitenrichtung des Fahrzeugs) bezogen auf die Strassenoberfläche. Es ist bevorzugt, den Längs-G-Sensor 62 an einem Frontabschnitt oder Heckabschnitt des Fahrzeugs 100 zu montieren und den Quer-G-Sensor 63 an einem Seitenabschnitt des Fahrzeugs 100 zu montieren, damit eine Schräglage des Fahrzeugs 100 präzise erfasst werden kann. Es ist anzumerken, dass der Längs-G-Sensor 62, der Quer-G-Sensor 63, ein Beschleunigungsgradsensor (so genannter G-Sensor), ein Schräglagenwinkelsensor (Gradientensensor) und ein Drehratensensor als die erste Erfassungsvorrichtung zum Erfassen eines Schräglagenwinkels des Fahrzeugs 100 bezogen auf die Strassenoberfläche allgemein bekannt sind, und dass es bevorzugt ist, mindestens einen von diesen zu verwenden.
  • Die Steuervorrichtung 13 empfängt Ausgangssignale der vorstehend genannten Sensoren zum Berechnen einer Systemleistungserfordernis (z. B. der Summe aus einer Fahrzeugfahrleistung und einer Hilfsmaschinenleistung), um Operationen verschiedener Vorrichtungen in dem System 1 zu steuern. Konkret gesprochen ermittelt die Steuervorrichtung 13 die Systemleistungserfordernis auf der Grundlage des Fahrpedal- Betätigungsgrades, der Fahrzeuggeschwindigkeit oder dergleichen, und führt eine Steuerung derart aus, dass die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 2 mit einer Sollleistung überein stimmt.
  • Hierbei bedeutet die Fahrzeugfahrleistung eine Leistungserfordernis des Fahrmotors 7, und die Hilfsmaschinenleistung bedeutet die Leistung insgesamt, die jeweils für den Betrieb der verschiedenen Hilfsmaschinen in dem Brennstoffzellensystem 1 erforderlich ist. Die Leistungserfordernis des Fahrmotors 7 wird von der Steuervorrichtung 13 auf der Grundlage des Fahrpedal-Betätigungsgrades, der Fahrzeuggeschwindigkeit und dergleichen berechnet. Diese Leistungserfordernis wird berechnet, indem eine vom Fahrmotor 7 auszugebende Leistung aus dem Produkt einer Solldrehzahl und einem Solldrehmoment des Fahrmotors 7 ermittelt und diese Leistung durch einen Betriebswirkungsgrad des Fahrmotors 7 dividiert wird, d. h. das Verhältnis der auszugebenden Leistung zum Leistungsverbrauch. Es ist anzumerken, dass ein Solldrehmoment einen negativen Wert annimmt und die Leistungserfordernis daher einen negativen Wert annimmt, wenn der Fahrmotor 7 als Leistungsgenerator betrieben wird, um regeneratives Bremsen durchzuführen.
  • Nach dem Berechnen der Leistungserfordernis des Fahrmotors 7 berechnet die Steuervorrichtung 13 die Hilfsmaschinenleistung in Entsprechung zur Leistungserfordernis des Fahrmotors 7. Daraufhin steuert die Steuervorrichtung 13 den Betrieb des Hochspannungs-Gleichstromumrichter 4 so, dass die erforderliche Systemleistung zugeführt wird, und stellt einen Betriebspunkt (eine Ausgangsspannung, einen Ausgangsstrom) der Brennstoffzelle 2 ein. Zu diesem Zeitpunkt steuert die Steuervorrichtung 13 das Umschalten des Wechselrichters 8, um den Dreiphasen-Wechselstrom der Fahrzeugfahrleistung entsprechend an den Fahrmotor 7 auszugeben. Ausserdem stellt die Steuervorrichtung 13 Drehzahlen von Motoren (nicht gezeigt) des Luftkompressors 5 und der Wasserstoffpumpe 26 ein, wodurch die Brennstoffzelle 2 die Zufuhr des Oxidationsgases und des Wasserstoffgases gemäß der Sollleistung steuert, und das Kühlsystem (nicht gezeigt) steuert die Temperatur der Brennstoffzelle 2.
  • Hierbei kann ein Steuersystem des Brennstoffzellensystems 1 gemäß der Darstellung in 1 in Funktionen eines die Brennstoffzelle 2 umfassenden BZ-Systems und eines die Leistungsspeichervorrichtung 3 umfassenden EV(Electric Vehicle; Elektrofahrzeug)-Systems unterteilt werden. Das BZ-System arbeitet in der Hauptsache als Leistungsquelle für eine Fahrleistung. Das EV-System arbeitet in der Hauptsache als Leistungsquelle für eine effiziente Verwendung der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 2. Im BZ-System ist das Relais 52 geschlossen, so dass die Leistung der Brennstoffzelle 2 dem Fahrmotor 7 zugeführt werden kann. Im EV-System ist das Relais 51 geschlossen, so dass die Leistung der Leistungsspeichervorrichtung 3 dem Fahrmotor 7 zugeführt werden kann.
  • Wenn bei der vorstehend genannten Konstruktion das Fahrzeug 100 gestartet wird, wird ein Zeitpunkt zum Beginnen des Antreibens des Fahrmotors 7 je nachdem geändert, ob sich das Fahrzeug 100 auf einer gewöhnlichen Strassenoberfläche (einer Strassenoberfläche ohne Schräge oder mit geringer Schräge) befindet, oder ob sich das Fahrzeug 100 auf einem Gefälle 200 befindet, wie in 2 gezeigt ist. Die Anfahrsteuerung dieses Fahrzeugs 100 wird unter Bezugnahme auf die 3A und B beschrieben.
  • Es ist anzumerken, dass 2 einen Teil der Konstruktion des Brennstoffzellensystems 1 zeigt, wie etwa die Steuervorrichtung 13 und die Erfassungsvorrichtungen (den Fahrpedalposition-Sensor 61, den Längs-G-Sensor 62 und den Quer-G-Sensor 63).
  • 3A ist ein Zeitablaufdiagramm, das die Steuerung beim Starten des Fahrzeugs 100 zeigt, und 3B ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer beim Fahren des Fahrzeugs verwendbaren Leistung und der Zeit in einem Fall zeigt, in dem "einschaltbereit" ("ready an") ausgeführt wird. "Einschaltbereit" bedeutet hierbei, dass das Antreiben des Fahrmotors 7, d. h. das Anfahren (Start) des Fahrzeugs 100, zugelassen wird.
  • Das Brennstoffzellensystem 1 ist angehalten, bis STein durchgeführt wird (bis zu einem Zeitpunkt t0), wie in 3A gezeigt ist. Mit anderen Worten, die Relais 51, 52 sind jeweils geöffnet, und im EV-System und im BZ-System ist die Leistungszufuhr zum Fahrmotor 7 unterbrochen.
  • STein ist die Abkürzung für "START EIN" und bedeutet, dass das Starten des Brennstoffzellensystems 1 eingeleitet wird. Mit anderen Worten initiiert das Brennstoffzellensystem 1 das Starten zum Zeitpunkt von STein, so dass die Leistung des Brennstoffzellensystems 1 in dem Fahrzeug 100 verwendet wird. Die STein-Operation wird mittels einer Betätigung durchgeführt, die zum Starten des Brennstoffzellensystems 1 erforderlich ist, um das Fahrzeug 100 zu starten, beispielsweise durch Betätigen eines Starterschalters durch den Fahrer des Fahrzeugs 100.
  • Wenn STein durchgeführt wird, um einen vorgegebenen Zeitpunkt t1 zu erhalten, ist "EV-Systemstart abgeschlossen". "EV-Systemstart abgeschlossen" bezeichnet einen Zustand, in dem das Relais 51 des EV-Systems geschlossen ist und der Fahrmotor 7 von der Leistung der Leistungsspeichervorrichtung 3 angetrieben werden kann.
  • Vom Zeitpunkt t1 bis zu einem Zeitpunkt t2 resultiert nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitspanne t1 "BZ-Systemstart abgeschlossen". "BZ-Systemstart abgeschlossen" bedeutet einen Zustand, in dem das Relais 52 des BZ-Systems geschlossen ist und der Fahrmotor 7 von der Leistung der Brennstoffzelle 2 angetrieben werden kann. Genauer gesagt ist "BZ-Systemstart abgeschlossen" ein Zustand, in dem eine Systemüberprüfung des Brennstoffzellensystems 1 abgeschlossen ist und die Brennstoffzelle 2 sich in einem Zustand befindet, in dem ihr Starten abgeschlossen ist, anders ausgedrückt, einem Zustand, in dem die Leistung auf stabile Weise erzeugt werden kann und der Fahrmotor 7 von der erzeugten Leistung angetrieben werden kann. Es ist anzumerken, dass die Systemüberprüfung den Zweck hat zu überprüfen, ob in den Einzelteilen (verschiedenen Sensoren, Ventilen, Pumpen usw.) des Brennstoffzellensystems 1 Störungen vorliegen oder nicht.
  • Wenn STein durchgeführt wird, wird die Leistungsspeichervorrichtung 3 daher in einen Zustand gebracht, in dem die Vorrichtung dem Fahrmotor 7 noch vor der Brennstoffzelle 2 Leistung zuführen kann.
  • Gemäß der Darstellung in 3B veranschaulicht "A: Vergleichsbeispiel" ein Beispiel für eine Leistung zur Verwendung beim Fahren des Fahrzeugs 100 auf einem Gefälle 200 in einem Fall, in dem "einschaltbereit" zum Zeitpunkt t1 von "EV-Systemstart abgeschlossen" ausgeführt wird. In der Zeichnung veranschaulicht "B: Vorliegende Erfindung" ein Beispiel für eine Leistung zur Verwendung beim Fahren des Fahrzeugs 100 auf einem Gefälle 200 in einem Fall, in dem "einschaltbereit" zum Zeitpunkt t2 von "BZ-Systemstart abgeschlossen" ausgeführt wird. Ausserdem veranschaulicht "C: Obergrenze der Fahrnutzung" eine Obergrenze der Leistung, die beim Fahren des Fahrzeugs 100 verwendbar ist, wenn "einschaltbereit" zum Zeitpunkt t1 ausgeführt wird.
  • Wie in "C: Obergrenze der Fahrnutzung" von 3B gezeigt ist, entspricht die Obergrenze der Leistung vom Zeitpunkt t1 bis zum Zeitpunkt t2 dem maximalen Ausgang der Leistungsspeichervorrichtung 3 und beträgt gemäß dem vorstehenden Beispiel 25 kW. Die Obergrenze der Leistung nach dem Zeitpunkt t2 entspricht einem Wert, der durch Hinzuaddieren des Ausgangs der Brennstoffzelle 2 zum maximalen Ausgang der Leistungsspeichervorrichtung 3 erhalten wird, und nimmt mit der Zeit allmählich zu.
  • Der Zeitpunkt, auf den "einschaltbereit" eingestellt wird, wird gemäß einem Schräglagenzustand des Fahrzeugs 100 bestimmt. Konkret gesprochen wird der Zeitpunkt für "einschaltbereit" auf der Grundlage eines Beschleunigungssensors und eines Schräglagenwinkelsensors im Hinblick auf eine Schräglage des Fahrzeugs 100 bezogen auf die Strassenoberfläche eingestellt.
  • Falls der Längs-G-Sensor 62 bei der vorliegenden Ausführungsform erfasst, dass sich das Fahrzeug 100 auf einer gewöhnlichen Strassenoberfläche und nicht auf einem Gefälle 200 befindet, stellt die Steuervorrichtung 13 "einschaltbereit" auf den Zeitpunkt t1 ein. Falls beispielsweise erfasst wird, dass sich das Fahrzeug 100 auf einer gewöhnlichen Strassenoberfläche mit einem geringen Gradienten oder fast ohne Gradienten befindet, wird "einschaltbereit" auf den Zeitpunkt t1 eingestellt.
  • Bei dieser Einstellung wird zugelassen, dass das Antreiben des Fahrmotors 7 nur durch die Leistungszufuhr von der Leistungsspeichervorrichtung 3 begonnen wird und das Beginnen des Antreibens für das Anfahren des Fahrzeugs 100 ausgeführt wird. Danach (nach dem Zeitpunkt t2) schaltet die Leistungszufuhr zum Fahrmotor 7 vom Ausgang der Leistungsspeichervorrichtung 3 auf den Ausgang der Brennstoffzelle 2 um. Es ist anzumerken, dass die Leistung der Leistungsspeichervorrichtung 3 zum Einleiten einer Überholbeschleunigung aus einem Konstantzustand erneut dem Fahrmotor 7 zugeführt wird, um die Brennstoffzelle 2 zu unterstützen.
  • Falls der Längs-G-Sensor 62 hingegen erfasst, dass sich das Fahrzeug 100 auf einem Gefälle 200 befindet, stellt die Steuervorrichtung 13 "einschaltbereit" auf den Zeitpunkt t2 ein. Falls beispielsweise ein Frontabschnitt des Fahrzeugs 100 nach vorne und unten geneigt ist und somit erfasst wird, dass ein Schräglagenwinkel des Fahrzeugs 100 in Vorwärtsrichtung über einem vorgegebenen Schwellwert liegt, wird "einschaltbereit" auf den Zeitpunkt t2 eingestellt.
  • Bei dieser Einstellung wird das Antreiben des Fahrmotors 7 zum Zeitpunkt t2 durch die Leistungszufuhr der Brennstoffzelle 2 oder der Leistungsspeichervorrichtung 3 begonnen, und das Fahrzeug 100 fährt an. Mit anderen Worten wird der Beginn des Antreibens des Fahrmotors 7 durch die Leistungszufuhr der Leistungsspeichervorrichtung 3 unterbunden, falls sich das Fahrzeug 100 beim Losfahren auf einem Gefälle 200 befindet.
  • Unter der Annahme, dass das Fahrzeug 100 wie bei "A: Vergleichsbeispiel" auf einem Gefälle 200 anfährt und "einschaltbereit" gleichzeitig mit "EV-Systemstart abgeschlossen" ausgeführt wird, nimmt ein Drehmoment des Fahrmotors 7 an dem Zeitpunkt t2 schnell zu. Aufgrund dieser schnellen Zunahme des Drehmoments könnte das Fahrzeug 100 auf dem Gefälle 200 schnell beschleunigen.
  • Wenn das Fahrzeug 100 hingegen wie bei "B: Vorliegende Erfindung" auf einem Gefälle 200 anfährt, wird "einschaltbereit" gleichzeitig mit "BZ-Systemstart abgeschlossen" ausgeführt, wodurch eine schnelle Zunahme des Drehmoments des Fahrmotors 7 unterbunden werden kann. Daher kann eine schnelle Beschleunigung des Fahrzeugs 100 auf dem Gefälle 200 unterdrückt werden, und das Fahrzeug 100 kann problemlos anfahren.
  • Gemäß der vorstehenden Beschreibung wird bei dem Fahrzeug 100 der vorliegenden Ausführungsform der Zeitpunkt zum Beginnen des Antreibens des Fahrmotors 7 in Abhängigkeit vom Schräglagenzustand des Fahrzeugs 100 beim Anfahren des Fahrzeugs geändert. Wenn sich das Fahrzeug 100 auf einem Gefälle 200 befindet, kann eine schnelle Beschleunigung des Fahrzeugs 100 beim Losfahren somit unterdrückt werden. Gemäß der vorstehenden Beschreibung kann der Längs-G-Sensor 62 ausserdem erfassen, ob sich das Fahrzeug 100 auf einem Gefälle 200 befindet oder nicht, und ein Schräglagenzustand in der Vorwärtsrichtung des Fahrzeugs 100 vor dem Anfahren kann auf geeignete Weise bestätigt werden.
  • Ausserdem kann das Antreiber des Fahrmotors 7 gleichzeitig mit "BZ-Systemstart abgeschlossen" begonnen werden, d. h. gleichzeitig mit einem Zustand, in dem die Brennstoffzelle 2 auf stabile Weise Leistung erzeugen kann. Folglich kann das Fahrzeug 100 innerhalb kurzer Zeit gestartet werden, während ein schnelles Beschleunigen des Fahrzeugs 100 beim Anfahren auf einem Gefälle 200 unterdrückt wird. Ausserdem kann das Antreiben des Fahrmotors 7 durch die Leistungszufuhr der Leistungsspeichervorrichtung 3 begonnen werden, wenn sich das Fahrzeug 100 auf einer gewöhnlichen Strassenoberfläche und nicht auf einem Gefälle 200 befindet. Daher kann die Zeit zum Starten des Fahrzeugs 100 in einem solchen gewöhnlichen Zustand verkürzt werden.
  • Bei einer anderen Ausführungsform ist es möglich, dass der Zeitpunkt zum Beginnen des Antreibens des Fahrmotors 7 nicht mit "BZ-Systemstart abgeschlossen" zusammen fällt, muss jedoch nach "BZ-Systemstart abgeschlossen" liegen.
  • Als Nächstes wird eine Modifikation der Anfahrsteuerung des Fahrzeugs 100 beschrieben.
  • Selbst wenn sich das Fahrzeug 100 auf einem Gefälle 200 befindet, ist es bevorzugt, den Zeitpunkt für "einschaltbereit" unter Berücksichtigung davon einzustellen, ob das Fahrzeug 100 in einer Aufwärtsrichtung oder in einer Abwärtsrichtung des Gefälles 200 anfährt. Wie beispielsweise in den 1 und 2 gezeigt ist, ist es bevorzugt, den Zeitpunkt für "einschaltbereit" unter Berücksichtigung des Erfassungsergebnisses eines Getriebewahlposition-Sensors 71 einzustellen, der eine Getriebewahlposition des Fahrzeugs 100 erfasst. Der Getriebewahlposition-Sensor 71 erfasst Getriebewahlpositionen wie etwa Parken (P), Rückwärts (R), Neutral/Leerlauf (N) und Drive/Dauerfahrt (D) und gibt die Position an die Steuervorrichtung 13 aus.
  • Als konkretes Beispiel wird ein Fall betrachtet, in dem der Längs-G-Sensor 62 erfasst, dass der Schräglagenwinkel des auf einem Gefälle 200 befindlichen Fahrzeugs 100 in Vorwärtsrichtung über einem Schwellwert liegt, und in dem der Getriebewahlposition-Sensor 71 erfasst, dass die Getriebewahlposition des Fahrzeugs 100 auf Dauerfahrt (D) steht. In diesem Fall fährt das Fahrzeug 100 in der Abwärtsrichtung des Gefälles 200 an, weshalb die Steuervorrichtung 13 "einschaltbereit" auf den Zeitpunkt t2 oder später einstellen kann.
  • Andererseits wird ein Fall betrachtet, in dem der Getriebewahlposition-Sensor 71 beim Starten des Fahrzeugs 100 erfasst, dass die Getriebewahlposition auf Rückwärts (R) steht. In diesem Fall fährt das Fahrzeug 100 an, indem es rückwärts das Gefälle 200 hinauf fährt, weshalb es bevorzugt ist, dass die Steuervorrichtung 13 den Zeitpunkt für "einschaltbereit" auf der Grundlage des Schräglagenwinkels des Fahrzeugs 100 in der Vorwärtsrichtung variiert.
  • Wenn beispielsweise ein Wert des Schräglagenwinkels des Fahrzeugs 100 in der Vorwärtsrichtung über dem Schwellwert liegt, kann die Steuervorrichtung 13 "einschaltbereit" auf den Zeitpunkt t2 einstellen. In diesem Fall kann die Antriebskraft des Fahrmotors 7 gesichert werden, und ein Rückwärtskriechen des Fahrzeugs 100 beim Hochfahren auf einer Steigung kann im Wesentlichen unterbunden werden. In einem Fall hingegen, in dem der Wert des Schräglagenwinkels des Fahrzeugs 100 in der Vorwärtsrichtung gleich dem Schwellwert oder weniger ist, kann angenommen werden, dass die Auswirkung eines Rückwärtskriechens des Fahrzeugs 100 gering ist. Daher kann die Steuervorrichtung 13 in einem solchen Fall "einschaltbereit" auf den Zeitpunkt t1 einstellen.
  • Gewerbliche Anwendbarkeit
  • Das im Vorausgegangenen erwähnte Brennstoffzellensystem 1 kann auch in einem anderen mobilen Aufbau als in einem zwei- oder vierrädrigen Fahrzeug installiert werden, beispielsweise in einem Zug, einem Flugzeug, einem Schiff oder einem Robot.
  • Zusammenfassung
  • MOBILER AUFBAU
  • Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einem mobilen Aufbau, der in der Lage ist, beim Anfahren auf einem Gefälle ein schnelles Beschleunigen zu unterdrücken. Der mobile Aufbau weist auf: eine Antriebskrafterzeugungsvorrichtung, die eine Kraft zum Antreiben des mobilen Aufbaus erzeugt; eine Leistungsspeichervorrichtung, die in der Lage ist, der Antriebskrafterzeugungsvorrichtung Leistung zuzuführen; eine Brennstoffzelle, die in der Lage ist, der Antriebskrafterzeugungsvorrichtung Leistung zuzuführen; und eine Steuervorrichtung, welche das Antreiben der Antriebskrafterzeugungsvorrichtung steuert. Die Steuervorrichtung unterbindet den Beginn des Antreibens der Antriebskrafterzeugungsvorrichtung durch die Leistungszufuhr der Leistungsspeichervorrichtung, falls sich der mobile Aufbau beim Starten des mobilen Aufbaus auf einem Gefälle befindet.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - JP 9-231991 [0002, 0003]

Claims (10)

  1. Mobiler Aufbau, welcher aufweist: eine Antriebskrafterzeugungsvorrichtung, die eine Kraft zum Antreiben des mobilen Aufbaus erzeugt; eine Leistungsspeichervorrichtung, die dazu ausgelegt ist, der Antriebskrafterzeugungsvorrichtung Leistung zuzuführen; eine Brennstoffzelle, die dazu ausgelegt ist, der Antriebskrafterzeugungsvorrichtung Leistung zuzuführen; und eine Steuervorrichtung, die das Antreiben der Antriebskrafterzeugungsvorrichtung steuert, wobei die Steuervorrichtung den Beginn des Antreibens der Antriebskrafterzeugungsvorrichtung durch die Leistungszufuhr der Leistungsspeichervorrichtung unterbindet, falls sich der mobile Aufbau beim Anfahren des mobilen Aufbaus auf einem Gefälle befindet.
  2. Mobiler Aufbau nach Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung den Beginn des Antreibens der Antriebskrafterzeugungsvorrichtung nach dem Abschluss des Startens der Brennstoffzelle zulässt, falls sich der mobile Aufbau beim Anfahren des mobilen Aufbaus auf einem Gefälle befindet.
  3. Mobiler Aufbau nach Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung den Beginn des Antreibens der Antriebskrafterzeugungsvorrichtung gleichzeitig mit dem Abschluss des Startens der Brennstoffzelle zulässt, falls sich der mobile Aufbau beim Starten des mobilen Aufbaus auf einem Gefälle befindet.
  4. Mobiler Aufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Steuervorrichtung mit dem Antreiben der Antriebskrafterzeugungsvorrichtung durch die Leistungszufuhr der Leistungsspeichervorrichtung beginnt, falls sich der mobile Aufbau beim Starten des mobilen Aufbaus auf einer gewöhnlichen Strassenoberfläche mit einem geringen Gradienten oder fast ohne Gradienten befindet.
  5. Mobiler Aufbau nach Anspruch 4, wobei die Steuervorrichtung die Leistungszufuhr zur Antriebskrafterzeugungsvorrichtung von der Leistungsspeichervorrichtung auf die Brennstoffzelle umschaltet.
  6. Mobiler Aufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Leistungsspeichervorrichtung dazu ausgelegt ist, der Antriebskrafterzeugungsvorrichtung vor der Brennstoffzelle Leistung zuzuführen.
  7. Mobiler Aufbau nach Anspruch 1, welcher ferner eine erste Erfassungsvorrichtung zum Erfassen einer Schräglage des mobilen Aufbaus bezogen auf eine Strassenoberfläche aufweist, wobei die Steuervorrichtung auf der Grundlage der ersten Erfassungsvorrichtung bestimmt, ob der Beginn des Antreibens der Antriebskrafterzeugungsvorrichtung durch die Leistungszufuhr der Leistungsspeichervorrichtung unterbunden oder zugelassen werden soll.
  8. Mobiler Aufbau nach Anspruch 7, wobei die erste Erfassungsvorrichtung eine Schräglage des mobilen Aufbaus in einer Fahrtrichtung bezogen auf die Strassenoberfläche erfasst.
  9. Mobiler Aufbau nach Anspruch 1, welcher ferner eine zweite Erfassungsvorrichtung aufweist, um ein Anfahren des mobilen Aufbaus auf einem Gefälle in einer Aufwärtsrichtung oder einer Abwärtsrichtung zu erfassen, wobei die Steuervorrichtung den Beginn des Antreibens der Antriebskrafterzeugungsvorrichtung durch die Leistungszufuhr der Leistungsspeichervorrichtung unterbindet, wenn die zweite Erfassungsvorrichtung erfasst, dass der mobile Aufbau an einem Hang in der Abwärtsrichtung anfährt.
  10. Mobiler Aufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei dieser ein Fahrzeug ist.
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