DE112008002650B4 - Brennstoffzellenausgabesteuervorrichtung - Google Patents

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Abstract

Brennstoffzellenausgabesteuervorrichtung (60), aufweisend: ein Modul, das eine von einem Motor (12) benötigte Leistung berechnet, wobei ein positiver Wert einen Leistungsverbrauch anzeigt, und ein negativer Wert eine Leistungsrückgewinnung anzeigt; ein Modul, das eine Leistung berechnet die von einer Hilfsvorrichtung (14) benötigt wird; ein Modul (62), das einen Ausgabebefehlswert einer Brennstoffzelle (44) gemäß einer Summe der benötigten Leistung des Motors und der benötigten Leistung der Hilfsvorrichtung berechnet; und ein Akku-Beurteilungsmodul (66), das beurteilt, ob sich ein Akku (32) in einem ladebegrenzten Zustand befindet, in dem das Laden des Akkus begrenzt ist und die Leistungsrückgewinnung durch den Motor verboten ist; dadurch gekennzeichnet, dass: die Brennstoffzellenausgabesteuervorrichtung ferner ein Korrekturmodul (68) umfasst, das die benötigte Leistung des Motors aufrecht erhält, wenn sich der Akku nicht im ladebegrenzten Zustand befindet, und das die benötigte Leistung des Motors auf Null korrigiert, wenn (i) die Summe der benötigten Leistung einen negativen Wert aufweist und (ii) das Akku-Beurteilungsmodul bestimmt, dass sich der Akku im ladebegrenzten Zustand befindet, wodurch der Hilfsvorrichtung Leistung von der Brennstoffzelle zugeführt wird, und das Entladen einer Leistung von dem Akku unterdrückt wird.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen eine Brennstoffzellenausgabesteuervorrichtung, und insbesondere eine Brennstoffzellenausgabesteuervorrichtung zum Antreiben eines Motors.
  • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • Brennstoffzellen, welche umweltfreundliche Vorrichtungen sind, werden heutzutage auf vielen Fahrzeugen vorgesehen. Da die Brennstoffzellen keine Sekundärbatterien bzw. Akkumulatorbatterien sind, werden sie für gewöhnlich mit Hochspannungsakkumulatoren bzw. -akkus verwendet, um für Ladungswechsel ausgerüstet bzw. kompatibel zu sein. Da bekannt ist, dass die Leistung solcher Hochspannungsakkus aufgrund von Überladen oder Über-Entladen des Akkus nachlässt, ist es wichtig, einen optimalen Leistungserzeugungszustand der Brennstoffzelle entsprechend verschiedener Ladezustände bzw. Ladebedingungen aufrechtzuerhalten, um ein Überladen oder Über-Entladen des Hochspannungsakkus zu verhindern.
  • Zum Beispiel offenbart die JP 2002-334712 A ein Brennstoffzellensystem, welches eine Zielleistung zum Betreiben eines Fahrzeugs basierend auf einem Beschleunigungswert und dergleichen bestimmt, und darüber hinaus ein Zielleistungserzeugungslevel für die Brennstoffzelle basierend auf einer Zielleistung von Hilfsvorrichtungen, einer Zielladungs-/Entladeleistungsgröße einer Akkumulatorbatterie, und einer Konvertierungseffizienz eines DC/DC-Wandlers bestimmt. In dem in der JP 2002-334712 A beschriebenen Stand der Technik, wird ein tatsächlicher Messwert für die Konvertierungseffizienz des DC/DC-Wandlers verwendet, um jeden Einfluss zu vermeiden, der durch Erfassungsfehler von dem Leistungsverbrauch von jeder Vorrichtung oder dem Leitungswiderstand verursacht wird.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Wie in der JP 2002-334712 A beschrieben, wird der Ausgabeinstruktionswert bzw. Ausgabebefehlswert der Brennstoffzelle gemäß einem Drehmomentbefehlswert berechnet, welcher durch einen Beschleunigungswert oder dergleichen bestimmt wird. Insbesondere der Ausgabebefehlswert wird auf eine Weise eingestellt, dass die Leistungserzeugungsmenge der Brennstoffzelle mit einer zu verbrauchenden erforderlichen Leistung durch die Last ausgeglichen wird, wodurch verhindert wird, dass der Akku einen Zustand erreicht, in dem er entweder Überladen oder Über-Entladen wird. Wenn sich der Motor im regenerativen bzw. rückgewinnenden Zustand befindet, weist die erforderliche Leistung des Motors negative Werte auf, wobei die Brennstoffzelle die Leistungserzeugung einstellt.
  • Selbst wenn sich der Motor im rückgewinnenden Zustand bzw. Rückgewinnungszustand befindet, kann die Rückgewinnung von Leistung, abhängig vom Zustand des Akkus, verboten oder auf andere Weise beschränkt werden, so dass der Motor aufhört, Leistung zu erzeugen, obwohl er sich im Rückgewinnungszustand befindet. Zum Beispiel kann die Leistungserzeugung stoppen, wenn ein Ladezustand anzeigt, dass ein geladener Zustand des Akkus zu hoch ist, oder wenn die Temperatur des Akkus über einen bestimmten Wert steigt.
  • Somit erzeugt weder die Brennstoffzelle noch der Motor Leistung, wenn sich der Motor im rückgewinnungsbegrenzten Zustand und der Akku im ladebegrenzten Zustand befindet. Da jedoch das Entladen des Akkus bzw. von dem Akku an Hilfsvorrichtungen und dergleichen fortschreitet, fällt der Ladezustand weiter, und erzeugt eventuell einen Über-Entladezustand. In diesem Fall wird eine negative Leistung durch den Motor benötigt bzw. ist für diese erforderlich, und der entsprechende Ausgabebefehlswert der Brennstoffzelle wird auf Null eingestellt, was den Über-Entladezustand des Akkus verursachen kann.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Brennstoffzellenausgabesteuervorrichtung vorzusehen, welche in der Lage ist, ein Über-Entladen des Akkus bzw. von dem Akku zu unterdrücken, selbst wenn er sich in einem ladebegrenzten Zustand befindet.
  • Diese Aufgabe wird gelöst mit der Brennstoffzellenausgabesteuervorrichtung nach Anspruch 1.
  • Eine Brennstoffzellenausgabesteuervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst hierbei ein Ausgabebefehlswertberechnungsmodul, das einen Ausgabebefehlswert einer Brennstoffzelle gemäß einer Leistung berechnet, die von einem Motor benötigt bzw. angefordert wird, ein Akku-Beurteilungsmodul, das beurteilt, ob die Ladung des Akkus begrenzt ist oder nicht (ob sich der Akku in einem ladebegrenzten Zustand befindet oder nicht), und ein Korrekturmodul zum Aufrechterhalten der erforderlichen Leistung des Motors, wenn sich der Akku nicht im ladebegrenzten Zustand befindet, während sie die benötigte bzw. erforderliche Leistung des Motors korrigiert, wenn bestimmt wird, dass sich der Akku im ladebegrenzten Zustand befindet, wodurch der Hilfsvorrichtung Leistung von der Brennstoffzelle zugeführt wird, und das Entladen des Akkus begrenzt wird.
  • Zusätzlich umfasst die Ausgabesteuervorrichtung der Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung eine Einheit, welche einen Ladezustand des Akkus erhält erfasst. Wenn beurteilt wird, dass sich der Akku im ladebegrenzten Zustand befindet und der Ladezustand des Akkus bei einem vorbestimmten speziellen Grenzwert ist, welcher niedriger als ein normaler Grenzwert ist, der zum Begrenzen der Ladung im normalen Zustand bzw. Normalzustand verwendet wird, korrigiert das Korrekturmodul vorzugsweise die benötigte bzw. erforderliche Leistung des Motors, um das Entladen von dem Akku zu begrenzen.
  • In der obenstehenden Konfiguration berechnet die Ausgabesteuervorrichtung der Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise den Ausgabebefehlswert der Brennstoffzelle basierend auf der erforderlichen Leistung des Motors, und beurteilt, ob sich der Akku im ladebegrenzten Zustand befindet oder nicht. Falls sich der Akku nicht im ladebegrenzten Zustand befindet, wird die erforderliche Leistung der bzw. für den Motor aufrecht erhalten. Andererseits, falls die Ladung bzw. das Laden des Akkus begrenzt ist, wird die erforderliche Leistung des Motors korrigiert, um die Brennstoffzelle dazu zu veranlassen, der Hilfsvorrichtung Leistung zuzuführen, wodurch das Entladen von dem Akku begrenzt wird. Somit wird der Leistungsverbrauch der Hilfsvorrichtung durch die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle kompensiert und das Über-Entladen des Akkus unterdrückt.
  • Zusätzlich erhält bzw. erlangt die Ausgabesteuervorrichtung der Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung einen Ladezustand des Akkus, wenn sie sich im ladebegrenzten Zustand befindet. Wenn der Ladezustand des Akkus einen vorbestimmten speziellen Grenzwert hat, welcher niedriger als ein normaler Grenzwert ist, der zum Begrenzen der Ladung in einem Normalzustand verwendet wird, wird die erforderliche Leistung des Motors korrigiert, um das Entladen von des Akkus zu begrenzen. Während des ladebegrenzten Zustandes, falls der Ladezustand schrittweise vermindert wird, um gleich oder niedriger als der spezielle Grenzwert zu sein, wird die erforderliche Leistung des Motors korrigiert, so dass die Brennstoffzelle der Hilfsvorrichtung Leistung zuführt, um das Entladen von dem Akku zu begrenzen. Somit kann sowohl das Überladen als auch das Über-Entladen von dem Akku verhindert werden.
  • Weiter beurteilt die Ausgabesteuervorrichtung der Brennstoffzelle, dass sich der Akku im ladebegrenzten Zustand befindet, wenn die erforderliche Leistung zum Rückgewinnen begrenzt ist. Zum Beispiel, wenn die Rückgewinnung von Leistung verboten ist, wird beurteilt, dass der Akku sich in einem ladebegrenzten Zustand befindet.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • 1 stellt ein Antriebssteuersystem eines Brennstoffzellenfahrzeugs dar, welches eine Brennstoffzellenausgabesteuervorrichung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst;
  • 2 zeigt ein Blockdiagramm, dass eine Brennstoffzellenausgabebefehlskette gemäß einem konventionellen System illustriert;
  • 3 zeigt eine grafische Illustration des Zustandes von jedem Faktor im konventionellen System von 2;
  • 4 zeigt ein Blockdiagramm, dass eine Brennstoffzellenausgabebefehlskette gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert; und
  • 5 zeigt eine grafische Illustration des Zustandes von jedem Faktor in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINER BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORM
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird untenstehend mit Bezug auf die beigefügten Figuren beschrieben. In der folgenden Beschreibung ist eine Rotationsmaschine auf einem Fahrzeug montiert, wobei auch andere Typen von Rotationsmaschinen, die in anderen Anwendungen als Fahrzeugen verwendet werden, wie zum Beispiel eine stationäre Rotationsmaschine, verwendet werden können. Darüber hinaus wird auch ein Brennstoffzellenfahrzeug beschrieben, welches eine Einzel-Rotationsmaschine umfasst, wobei das Fahrzeug mehr als eine Rotationsmaschine umfassen kann. Während als Beispiels für die Rotationsmaschine der vorliegenden Erfindung ein Motor/Generator, welcher sowohl als Motor als auch als Generator funktioniert, beschrieben wird, kann die Erfindung auch bei einem Motor angewandt werden, welcher ausschließlich als Motor funktioniert, oder bei einem Fahrzeug umfassend einen separaten Motor und Generator.
  • In der folgenden Beschreibung wird ein Beispiel dargestellt, in welchem sowohl die Brennstoffzelle als auch der Motor die Erzeugung von Leistung aufgrund eines Temperaturanstiegs des Akkus, der durch langes Bergabfahren des Fahrzeugs verursacht wird, einstellt. Dies zeigt jedoch nur einen Beispielfall, wobei die vorliegende Erfindung auch in anderen Situationen angewandt werden kann, solange der Ausgabebefehlswert der Brennstoffzelle im System basierend auf der erforderlichen Leistung des Motors bestimmt wird und Leistungserzeugung durch sowohl die Brennstoffzelle als auch des Motors aufgrund des ladebegrenzten Zustandes des Akkus gestoppt werden.
  • Weiter wird ein Stromversorgungsgerät bzw. eine Leistungszuführschaltung umfassend einen Hochspannungsakku, eine Brennstoffzelle, einen Spannungswandler, und einen Hochspannungsinverter beschrieben, wobei weitere Komponenten hinzugefügt werden können. Zum Beispiel können auch ein Systemhauptrelais, eine Niederspannungsbatterie, ein Niederspannungs-DC/DC-Wandler, und dergleichen vorgesehen sein. Dabei ist zu erwähnen, dass spezifische Werte elektrischer Leistung oder dergleichen untenstehend nur zu Beschreibungszwecken gegeben sind und die Werte sich jederzeit verändern können.
  • 1 stellt ein Antriebssteuersystem 10 eines Brennstoffzellenfahrzeugs mit einem Motor dar. Insbesondere die folgende Beschreibung stellt eine beispielhafte Brennstoffzellenausgabesteuerung dar, die ausgeführt wird, wenn die Temperatur eines Akkus aufgrund einer langen Bergabfahrt des Fahrzeugs angestiegen ist.
  • Das Antriebssteuersystem 10 umfasst eine Leistungszuführschaltung 30, bestehend aus einer Brennstoffzelle 44 und einer Akkumulatorbatterie, die durch einen Akku 32 ausgebildet ist, einen Motor 12 und eine Brennstoffzellenhilfsvorrichtung (BZ-Hilfsvorrichtung) 14, welche mit der Leistungszuführschaltung 30 verbunden sind, einen Bremspedaldruckgradsensor 16 und eine Brems-ECU (elektrische Steuereinheit) 18, welche eine Antriebsanforderung eines Fahrzeugs bestimmt, einen Beschleunigungswertsensor 20, eine Batterie-ECU 22, welche das Laden/Entladen von dem Akku 32 steuert, und ein Steuerelement 60.
  • Der Motor 12 ist ein Motor/Generator (M/G), welcher eine Dreiphasensynchrontyprotationsmaschine bzw. eine Drehstrommaschine ist, die auf dem Fahrzeug montiert ist, und funktioniert als ein Motor, wenn elektrische Leistung zugeführt wird, und als ein Generator während der Aktivierung bzw. Betätigung einer Bremse. Die Drehzahl des Motors 12 wird durch eine entsprechende Erfassungseinrichtung erfasst und ein Erfassungswert an das Steuerelement 16 übertragen.
  • Die BZ-Hilfsvorrichtung 14 umfasst Hilfselemente, die mit der Brennstoffzelle 44 verwendet werden, wie zum Beispiel einen Luftkompressor (ACP), der in einem Oxidationsgaskanal vorgesehen ist, eine Wasserstoffpumpe, die in einem Brenngaskanal vorgesehen ist, eine Brennstoffzellenkühlpumpe, usw. Die BZ-Hilfsvorrichtung 14 wird nach Empfangen einer Hochspannungsleistung von zum Beispiel circa 200 Volt betätigt. Dabei sollte beachtet werden, dass „BZ” eine Abkürzung für „Brennstoffzelle” ist. Hiernach wird zudem die Brennstoffzelle 44 als „BZ” bezeichnet.
  • Die Leistungszuführschaltung 30 ist mit dem Motor 12, der als ein Motor/Generator funktioniert, und der BZ-Hilfsvorrichtung 14 verbunden. Die Leistungszuführschaltung führt dem Motor 12 Leistung zu, wenn dieser als ein Antriebsmotor funktioniert, und empfängt rückgewonnene Leistung, wenn der Motor 12 als ein Generator funktioniert, und führt die Leistung der Akkumulatorbatterie oder dem Akku 32 zum Laden zu. Zusätzlich führt die Leistungszuführschaltung eine Hochspannungsleistung, die zum Betätigen der BZ-Hilfsvorrichtung 14 notwendig ist, zu.
  • Die Leistungszuführschaltung 30 umfasst eine Akkumulatorbatterie, die durch den Akku 32 ausgebildet ist, einen Glättungskondensator 34, der auf der Akkuseite vorgesehen ist, einen Spannungswandler 36, einen Glättungskondensator 38, der auf der Brennstoffzellenseite vorgesehen ist, die Brennstoffzelle 44, einen M/G-Inverter 46 (Wechselrichter), der mit dem Motor 12 verbunden ist, und einen Hilfsvorrichtungsinverter 48, der mit der BZ-Hilfsvorrichtung verbunden ist.
  • Der Akku 32 ist eine Hochspannungsakkumulatorbatterie, die in der Lage ist, Leistung zu laden bzw. aufzunehmen und zu entladen bzw. abzugeben. Der Akku 32 führt der Brennstoffzelle 44 über einen Spannungswandler 36 Leistung zu und empfängt diese von dieser, um auf Ladungswechsel der Rotationsmaschine bzw. des Motors 12, der BZ-Hilfsvorrichtung 14 und dergleichen zu reagieren. Der Akku 32 kann durch eine Lithium-Ionen-Batterie oder eine Nickelhydridbatterie mit einer Klemmspannung von circa 200 V bis circa 300 V ausgebildet sein, wobei auch ein Kondensator oder dergleichen verwendet werden kann. Dabei ist anzumerken, dass der Akku 32 im Allgemeinen als eine Hochspannungsbatterie bekannt ist, und dass der Begriff „Batterie” normalerweise verwendet wird, um sich auf den Akku 32 zu beziehen. Daher wird der Akku 32 hiernach auch als „Batterie” bezeichnet.
  • Der Spannungswandler 36 ist eine Schaltung, um eine Hochspannungsleistung zwischen dem Akku 32 und der Brennstoffzelle 44 auszutauschen. Zum Beispiel, wenn der Akku 32 verwendet wird, um den Betrieb bzw. Antrieb des Motors zu unterstützen, wird eine Hochspannungsleistung gewandelt und vom Akku 32 der Brennstoffzelle 44 zugeführt. Andererseits, um den Akku 32 zu laden, wird eine Hochspannungsleistung gewandelt und von der Brennstoffzelle 44 dem Akku 32 zugeführt. Der Spannungswandler 36 kann durch einen Bidirektional-Wandler mit einem Reaktor ausgebildet sein.
  • Ein Glättungskondensator wird auf jeder Seite des Spannungswandlers 36 vorgesehen. Insbesondere ist ein Glättungskondensator 34 auf der Akku-Seite zwischen dem positiven Polbus und dem negativen Polbus vorgesehen und verbindet dabei den Spannungswandler 36 und den Akku 32, wobei ein Glättungskondensator 38 auf der Brennstoffzellenseite zwischen dem positiven Polbus und dem negativen Polbus vorgesehen ist, und den Spannungswandler 36 und die Brennstoffzelle 44 verbindet.
  • Die Brennstoffzelle 44 wird auch als „der Brennstoffzellenstapel” bezeichnet, da dies ein üblicher Typ eines Batteriezusammenbaus ist, der dazu verwendet wird, eine Spannung von circa 200 V bis circa 400 V vorzusehen. Jede Brennstoffzelle in einem solchen Stapel verwendet Wasserstoff, der der Anodenseite als ein Brenngas zugeführt wird, und Luft, die der Kathodenseite als ein Oxidationsgas zugeführt wird, um eine notwendige bzw. erforderliche Leistung durch eine batteriechemische Reaktion durch einen Elektrolytfilm zu erzeugen, der durch einen Festpolymerfilm ausgebildet ist. Um die Brennstoffzelle 44 zu betreiben, ist es wünschenswert, dass die obenstehend beschriebene BZ-Hilfsvorrichtung 14 betätigt wird.
  • Der M/G-Inverter 46 ist eine Schaltung, die durch die Steuerung des Steuerelements 60 betrieben wird, welches eine Hochspannungsdirektleistung bzw. einen Hochspannungsgleichstrom in eine Dreiphasenwechselantriebsleistung bzw. in einen Drehstrom wandelt, und dem Motor 12 zuführt, und darüber hinaus einen von dem Motor 12 empfangenen Drehstrom in eine Hochspannungsgleichstrom wandelt. Der M/G-Inverter 46 kann durch eine Schaltung, die Schaltelemente, Dioden und andere Komponenten umfasst, konfiguriert sein.
  • Der Hilfsvorrichtungsinverter 48 wird auch durch die Steuerung des Steuerelements 60 betrieben, welches den Hochspannungsgleichstrom in einen Wechselstrom wandelt und ihn der BZ-Hilfsvorrichtung zuführt. Der Hilfsvorrichtungsinverter 48 ist ansonsten dem M/G-Inverter 46 im Wesentlichen ähnlich.
  • Die mit dem Steuerelement 60 verbundenen Elemente werden nachfolgend beschrieben. Der Bremspedaldruckgradsensor 16 erfasst einen Niederdrückgrad des Bremspedals oder dergleichen. Die Brems-ECU 18 wird hierbei verwendet, um einen erfassten Wert des Bremspedaldruckgradsensors 16 zu empfangen, um ihn in ein erforderliches Bremsmoment für den Motor 12 zu wandeln, und gibt das Moment in das Steuerelement 60 ein. Der Beschleunigungswertsensor 20 erfasst einen Betätigungswert des Beschleunigungspedals bzw. Gaspedals oder dergleichen, wandelt diesen in das erforderliche Antriebsmoment für den Motor 12, und gibt das Moment in das Steuerelement 60 ein. Somit sind der Bremspedaldruckgradsensor 16 und der Beschleunigungswertsensor 20 von Anwendern betriebene bzw. betätigte Einrichtungen, um das erforderliche Moment anzuzeigen, das von dem Motor 12 benötigt wird bzw. für diesen erforderlich ist.
  • Die Batterie-ECU 22 ist eine Steuervorrichtung, welche den Zustand des Akkus 32 erfasst, welcher eine Hochspannungsbatterie ist, und steuert sie, um in einem optimalen Lade-/Entladezustand zu sein. Von der Batterie-ECU 22 werden ein Ladezustand (englisch: State of Charge, SOC) 23, ein ladbarer Wert von Leistung (Gewinn) 24, eine Temperatur 25, und dergleichen an das Steuerelement 60 als Zustandsgröße des Akkus 32 übertragen.
  • Während das Steuerelement 60 generell in der Lage ist, alle Elemente des Antriebssteuersystems 10 zu steuern, steuert es insbesondere bezüglich der vorliegenden Ausführungsform die Ausgabe der Brennstoffzelle, um ein Über-Entladen von dem Akkus 32 zu verhindern, wenn die Temperatur des Akkus durch kontinuierliches bzw. andauerndes Fahren des Fahrzeugs auf der ansteigenden Strecke ansteigt. In diesem Sinne funktioniert das Steuerelement 60 als Ausgabesteuervorrichtung der Brennstoffzelle im Antriebssteuersystem 10 für Fahrzeuge. Das Steuerelement 60 umfasst ein BZ-Ausgabebefehlsberechnungsmodul 62, welches einen Ausgabebefehlswert der Brennstoffzelle 44 gemäß einer Leistung berechnet, die für den Motor 12 erforderlich ist, ein Rückgewinnungsbegrenzungsbeurteilungsmodul 64, welches beurteilt, ob die Rückgewinnung des Motors 12 begrenzt ist, ein Batteriebegrenzungsbeurteilungsmodul 66, welches beurteilt, ob das Laden des Akkus 32 begrenzt ist, und ein Erforderliche-Leistung-Korrekturmodul 68, welches die erforderliche Leistung der Brennstoffzelle korrigiert, wenn das Laden des Akkus 32 begrenzt ist, und weder die Brennstoffzelle 44 noch die Rotationsmaschine bzw. der Motor 12 Leistung erzeugt, um das Entladen von dem Akku 32 zu begrenzen.
  • Das Steuerelement 60 kann ein auf einem Fahrzeug montierbarer Computer sein. Das Steuerelement 60 kann ein separater Computer sein, wobei es auch möglich ist, dass es die Funktion des Steuerelements 60 als Teil einer Fahrzeug-ECU oder dergleichen umfasst. Jede Funktion des obenstehend beschriebenen Steuerelements 60 kann über eine Software durch Ausführen von zum Beispiel eines entsprechenden Brennstoffzellenausgabeprogramms realisiert werden.
  • Unter Verweis auf die 2 bis 4 werden die in der obenstehenden Konfiguration auszuführenden Prozessschritte, insbesondere die Funktionen des Steuerelements 60, im Vergleich mit der konventionellen Konfiguration beschrieben. In 1 dargestellte Bezugszeichen werden in der untenstehenden Beschreibung durchgehend verwendet. 2 zeigt ein Blockdiagramm der konventionellen Konfiguration und 3 einen Graphen zum Erklären des Zustandes von jeder entsprechenden Komponente, wobei beide Figuren für den Vergleich verwendet werden. Demhingegen zeigt 4 ein Blockdiagramm der vorstehenden Konfiguration und 5 einen Graphen zum Erklären des Zustandes von jedem Komponenten einer solchen Konfiguration. Obwohl die 2 und 4 Blockdiagramme zeigen, die die Funktionen entsprechend der Ausgabesteuerung der Brennstoffzelle in Blöcken illustrieren, wird der Ablauf zum Steuern der Ausgabe der Brennstoffzelle untenstehend beschrieben. Daher entspricht der Ablauf, der in 4 dargestellt ist, den Prozessschritten des Ausgabesteuerprogramms der Brennstoffzelle.
  • Es sollte angemerkt sein, dass das Steuerelement 60 von 1 in der konventionellen Konfiguration nicht die Funktion wie das Erforderliche-Leistung-Korrekturmodul 68 hat, sondern nur andere Funktionen, wie zum Beispiel das BZ-Ausgabebefehlswertberechnungsmodul 62. Daher ist es in der konventionellen Konfiguration möglich, dass der Akku 32 durch Entladen bzw. Ausgeben von Leistung an die Hilfsvorrichtungen und dergleichen über-entladen wird, wenn das Laden des Akkus 32 begrenzt ist.
  • Bezüglich 2 und 3 wird ein konventionelles Konfigurationsbeispiel beschrieben. Wenn sich der Akku 32 in einer solchen Konfiguration im ladebegrenzten Zustand befindet, da die Temperatur des Akkus durch andauerndes Fahren des Fahrzeuges auf der abfallenden Strecke ansteigt, wird die Erzeugung von Leistung durch die Brennstoffzelle 44 eingestellt, um die Ladung des Akkus 32 zu begrenzen, wobei die Rückgewinnung des Motors 12 verboten wird, so dass die gesamte Leistungserzeugung unterbrochen wird. Aufgrund der hohen Temperatur wird die verbotene Rückgewinnung nicht aufgehoben, bis sich die Temperatur auf ein vorbestimmtes Level gesenkt hat. Nachfolgend wird beschrieben, wie die Ausgabesteuerung der Brennstoffzelle 44 in einer solchen Situation durchgeführt wird.
  • In 2 wird ein Wert der erforderlichen Leistung des Motors berechnet (S10). In diesem Beispiel befindet sich der Motor 12 im Rückgewinnungszustand, da das Fahrzeug bergab fährt. Falls die erforderliche Leistung des Motors während des Leistungsverbrauchs positive Werte aufweist, und während der Rückgewinnung von Leistung negative Werte, weist die erforderliche Leistung der Rotationsmaschine in diesem Beispiel einen negativen Wert auf. Dies wird als „–10 kW” in 2 angezeigt bzw. dargestellt.
  • Anschließend wird ein Wert einer Leistung, die von einer Hilfsvorrichtung/Batterieseite erforderlich ist, d. h., die Leistung, die für die Hilfsvorrichtung für den Akku erforderlich ist, berechnet (S12), und der erhaltene Wert auf den Wert der erforderlichen Leistung für den Motor addiert (S14). Die berechnete Summe ist die Leistung, die für das gesamte Fahrzeugantriebssystem erforderlich ist, d. h., die erforderliche Leistung des Systems. In 2 wird die erforderliche Leistung des Hilfssystems/Batterieseite als +6 kw angezeigt, daher wird die erforderliche Leistung des Systems als „–10 kW + 6 kW = –4 kW” angezeigt.
  • Als nächstes wird ein Wert der zulässigen Leistung der Batterieseite, welche die Leistung ist, die der Akku 32 ausgeben darf, berechnet (S16). Die zulässige Leistung der Batterieseite wird durch die Beurteilungsfunktion des Batteriebegrenzungsbeurteilungsmoduls 66 des Steuerelements 60 basierend auf den Zuständen des Akkus 32, wie zum Beispiel dem Ladezustand 23, dem Gewinn 24, und der Temperatur 25, beurteilt. Im vorliegenden Beispiel ist der Akku 32 im ladebegrenzten Zustand, da sich das Fahrzeug im Kontinuierlich-Bergabmodus befindet und der Akku 32 eine hohe Temperatur hat, so dass die Ladung der rückgewonnenen Leistung oder dergleichen durch den Motor 12 begrenzt wird und nur die Endladung bzw. das Entladen erlaubt ist. Daher korrespondiert die zulässige Leistung der Batterieseite in S16 mit der erforderlichen Leistung der Hilfsvorrichtung/Batterieseite in S12, und wird als „–6 kW” in 2 angezeigt. Insbesondere wird beurteilt, dass sich der Akku 32 im ladebegrenzten Zustand befindet, und die Leistung, die gleich dem Leistungsverbrauch der Hilfsvorrichtung ist, von dem Akku 32 entladen wird.
  • Anschließend wird die obere Grenze zwischen die erforderliche Leistung des Motors und die zulässige Leistung der Batterieseite bestimmt (S18) um die obere und untere Grenze der erforderlichen Leistung des Systems mit einer unteren Grenze, die auf 0 kW eingestellt ist, zu steuern (S20). Der erhaltene Wert wird ein BZ-Ausgabebefehlswert, welcher der Ausgabebefehlswert einer Leistung ist, die durch die Brennstoffzelle 44 erzeugt wird (S52). Im Beispiel von 2 ist der obere Grenzwert in S18 –4 kW, und sowohl die obere als auch die untere Grenzsteuerung ist in S20 0 kW. Somit wird der BZ-Ausgabebefehlswert 0 kW. Insbesondere, wenn sich der Motor 12 im Rückgewinnungszustand befindet, verbraucht er keine Leistung, so dass die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 44 gestoppt wird. Der Prozessablauf, der mit den Schritten bis zu diesem Punkt in Verbindung steht, wird durch die Funktion des BZ-Ausgabebefehlsberechnungsmoduls 62 des Steuerelements 60 ausgeführt.
  • Anschließend wird der BZ-Ausgabebefehlswert auf den Wert der zulässigen Leistung der Batterieseite addiert (S22). Die erhaltene Summe ergibt die Rückgewinnungsleistung, die für den Motor 12 erforderlich ist (S50). In 2 ist dieser Wert –6 kW. Falls die Rückgewinnungsleistung begrenzt und der Rückgewinnungsbetrieb verboten ist, wird dieser Wert nicht an den Motor 12 weitergegeben und auf 0 kW gesetzt.
  • Insbesondere abhängig davon, ob ein Rückgewinnungsleistungsnullflag, welches einzustellen ist, wenn die Rückgewinnung der Leistung verboten wird, erfasst wird oder nicht (S24), wird eine Auswahl zwischen 0 kW (S26) und der Summe von S22 (S28) getroffen, und ein Auswahlergebnis ergibt einen Wert der Rückgewinnungsleistung des Motors (S50).
  • Anschließend wird die Selektion bzw. die Auswahl, die in S28 ausgeführt wird, beschrieben. Insbesondere, wenn kein Rückgewinnungsleistungsnullflag eingestellt ist, wird der Rückgewinnungsbetrieb nicht verboten und die Summe, die in S22 erhalten wird, als Wert der Rückgewinnungsleistung des Motors 12 gegeben. Andererseits, falls das Rückgewinnungsleistungsnullflag eingestellt ist, wird der Rückgewinnungsbetrieb verboten, und der Wert der Rückgewinnungsleistung auf 0 kW gesetzt und die Leistungserzeugung des Motors 12 gestoppt.
  • Das Vorhandensein oder Fehlen des Rückgewinnungsleistungsnullflags wird durch die Beurteilungsfunktion des Rückgewinnungsbegrenzungsbeurteilungsmoduls 64 des Steuerelements 60 basierend auf den Zuständen des Akkus 32, wie zum Beispiel dem Ladezustand 23, dem Gewinn 24, und der Temperatur 25, beurteilt. In diesem Fall befindet sich der Akku 32 im ladebegrenzten Zustand und kann die Rückgewinnungsleistung von dem Motor 12 nicht empfangen, da das Fahrzeug auf der abfallenden Strecke führt und der Akku 32 eine hohe Temperatur hat. Als Erwiderung darauf wird das Rückgewinnungsleistungsnullflag eingestellt. Daher wird die Leistungserzeugung in dem Motor 12 verboten, obwohl sie sich im Rückgewinnungszustand befindet, und der Wert der Rückgewinnungsleistung der Rotationsmaschine auf 0 kW in S50 eingestellt.
  • Wie obenstehend beschrieben befindet sich die Rotationsmaschine bzw. der Motor 12 in der konventionellen Konfiguration von 2, wenn das Fahrzeug andauernd auf der abfallenden Strecke fährt und die Temperatur des Akkus 32 erhöht wird, im Rückgewinnungszustand, und die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle wird gestoppt, so dass das Rückgewinnungsleistungsnullflag eingestellt wird, die Leistungserzeugung des Motors 12 zu stoppen. Das Entladen von Leistung von dem Akku 32 wird jedoch fortgeführt, um die erforderliche Leistung der Hilfsvorrichtung zu erwidern. Der Akku 32 führt das Entladen fort, bis das Verbot der Leistungsrückgewinnung aufgehoben wird oder das Rückgewinnungsleistungsnullflag abgestellt bzw. ausgestellt wird, wenn die Temperatur 25 des Akkus 32 auf eine angemessene Temperatur abfällt.
  • Dies wird bezüglich 3 erklärt. Bezugszeichen, die in den 1 und 2 verwendet werden, werden auch in der untenstehenden Beschreibung verwendet. In dem Graphen von 3 steht die horizontale Achse für die Zeit, wobei die vertikale Achse für den Ladezustand (engl.: State of Charge, SOC), die Temperatur der Batterie, und den BZ-Ausgabebefehlswert steht. Der Graph stellt dar, wie sich der Ladezustand, die Temperatur der Batterie, und der BZ-Ausgabebefehlswert während des andauernden Fahrens eines Fahrzeugs auf der abfallenden Strecke und der hohen Temperatur des Akkus 32 verändern.
  • Wenn das Fahrzeug andauernd abwärts bzw. bergab fährt, befindet sich der Motor 12 im Rückgewinnungszustand, wobei keine Leistungszuführung von der Brennstoffzelle 44 zu dem Motor 12 erforderlich ist, so dass der BZ-Ausgabebefehlswert auf Null eingestellt wird, wie in Verbindung mit S52 von 2 beschrieben.
  • Da sich der Motor 12 im Rückgewinnungszustand befindet, schreitet sie mit der Leistungserzeugung fort, und lässt den Ladezustand schrittweise ansteigen. Die Temperatur der Batterie steigt ebenfalls schrittweise an. Wenn der Ladezustand und die Temperatur der Batterie vorbestimmte Grenzwerte erreichen, wird das Laden begrenzt, um ein Überladen des Akkus 32 oder dergleichen zu verhindern, und das Rückgewinnungsleistungsnullflag eingestellt. In 3 wird der Rückgewinnungsbetrieb zum Zeitpunkt T1 verboten. Insbesondere wird das obenstehend beschriebene Rückgewinnungsleistungsnullflag in Verbindung mit S24 von 2 eingestellt, und die Rückgewinnungsleistung der Rotationsmaschine ebenfalls auf Null, wie in S50 beschrieben, eingestellt.
  • Wenn die Rückgewinnung verboten ist, sollte der Ladezustand durch Entladen von dem Akku 32 zur Hilfsvorrichtung und dergleichen fallen, und der Rückgewinnungsstopp aufgehoben werden. Falls jedoch die hohe Temperatur der Batterie aufgrund einer längeren Bergabfahrt des Fahrzeugs oder dergleichen aufrecht erhalten wird, wird der Rückgewinnungszustand aufgrund des hohen Temperaturzustandes nicht aufgehoben, selbst wenn der Ladezustand vermindert wird, wobei das Rückgewinnungsleistungsnullflag eingestellt bleibt. In diesem Zustand wird die Leistungserzeugung sowohl in der Brennstoffzelle 44 als auch des Motors 12 gestoppt, so dass dem Akku 32 keine Leistung zugeführt wird, wobei das Entladen an die Hilfsvorrichtung und dergleichen fortgeführt wird. Obwohl der Ladezustand des Akkus 32 kontinuierlich vermindert wird, bleibt die Temperatur aufgrund der konstanten Entladung hoch. Somit besteht die Gefahr, dass der Ladezustand den Über-Entladezustand erreicht und das Fahrzeug eventuell in einem Zeitpunkt T2 stoppt bzw. stehen bleibt.
  • Nachfolgend wird bezüglich den 4 und 5 die Konfiguration von 1 beschrieben. Bezugszeichen, die in den 1 bis 3 verwendet werden, werden auch untenstehend verwendet, wobei die entsprechende detaillierte Beschreibung nicht wiederholt wird. Wie in 4 dargestellt, unterscheiden sich die Prozessschritte, bis die erforderliche Leistung des Systems in S14 bestimmt wird, von der beschriebenen und in 2 dargestellten konventionellen Konfiguration, wodurch der unterschiedliche Ausgabebefehlswert gegeben ist (S53).
  • Insbesondere, da das Fahrzeug wie in der Konfiguration von 4 gezeigt auch bergab fährt, befindet sich der (elektrische) Motor 12 in einem Rückgewinnungszustand. Bezüglich der erforderlichen Leistung des Motors stehen positive Werte für einen Leistungsverbrauch und negative Werte für eine Rückgewinnung der Leistung, d. h. die erforderliche Leistung des Motors 12 hat auch einen negativen Wert wie in 2 dargestellt bzw. in 4 als –10 kW angezeigt.
  • Anschließend wird eine Bestimmung durchgeführt, um herauszufinden, ob der Wert der erforderlichen Leistung des Motors direkt zu verwenden ist, oder auf 0 kW gesetzt werden sollte (S34). Die Bestimmung wird basierend auf einer UND-Funktion gemacht, die in mehr als einem Zustand durchgeführt wird. Hierbei werden in der UND-Funktion drei Zustände verwendet. Dabei ist ein erster Zustand, dass das Rückgewinnungsleistungsnullflag eingestellt ist, d. h., die Rückgewinnung verboten ist. Ein zweiter Zustand, dass die erforderliche Leistung des Motors einen negativen Wert aufweist, d. h. der Motor sich im negativen Zustand befindet. Ein dritter Zustand, dass der Ladezustand gleich oder unterhalb eines speziellen Grenzwertes von A% liegt, d. h. der Akku 32 sich auf ein bestimmtes Level entladen hat.
  • Dabei ist anzumerken, dass der spezielle Grenzwert, A%, des Ladezustandes niedriger als der übliche Grenzwert eingestellt wird, der verwendet wird, den Ladebetrieb im Normalzustand zu begrenzen. Falls der normale Grenzwert des Ladezustandes zum Beispiel 60% ist, kann A% auf 50% eingestellt werden. Der Grenzwert des Ladezustandes wird auf einen Wert eingestellt, der niedriger als der normale Grenzwert ist, um das Überladen des Akkus 32 zu verhindern, und dadurch den Empfang bzw. die Aufnahme der rückgewonnenen Leistung zu minimieren und den Akku 32 im Entladezustand aufrecht zu erhalten.
  • Falls das Ergebnis der UND-Funktion basierend auf diesen drei Zustanden bzw. Bedingungen 1 ist, wird der erforderliche Leistungswert des Motors auf 0 kW gesetzt. Wenn das Fahrzeug andauernd auf der abfallenden Strecke fährt und die Temperatur der Batterie angehoben wird, werden die erste und zweite Bedingung erfüllt, und wenn der Ladezustand auf A% abfällt, das UND-Ergebnis aller drei Bedingungen auf 1 zurückgeführt und die erforderliche Leistung für den Motor auf 0 kW eingestellt.
  • Gleichzeitig zu den Prozessschritten, die in 2 beschrieben sind, wird dann die erforderliche Leistung der Hilfsvorrichtung/Batterieseite, welche die Leistung ist, die von der Hilfsvorrichtung für den Akku erforderlich ist, berechnet (S12), und der erhaltene Wert auf die vorher erhaltene erforderliche Leistung des Motors addiert (S14).
  • Die berechnete Summe ist die erforderliche Leistung des gesamten Fahrzeugantriebssystems, d. h., die erforderliche Leistung des Systems. In 4, sowie in 2, wird die erforderliche Leistung der Hilfsvorrichtung/Batterieseite als +6 kW angezeigt, und falls der erforderliche Wert des Motors 0 kW ist, ist die erforderliche Leistung des Systems 0 kW + 6 kW = +6 kW. In der konventionellen Konfiguration von 2 wäre die erforderliche Leistung des Systems –4 kW. Nachfolgend folgt der Betrieb den gleichen Schritten als denen obenstehend bezüglich 2 beschrieben, wobei der BZ-Ausgabebefehlswert bestimmt wird, +6 kW zu sein (S53). Dieser Wert stimmt mit der erforderlichen Leistung der Hilfsvorrichtung/Akkuseite überein. Das heißt, die Leistung, die für die Hilfsvorrichtung erforderlich ist, wird durch die Brennstoffzelle 44 kompensiert. Für die Rückgewinnungsleistung der Rotationsmaschine ist das Ergebnis, wie in 2 dargestellt, 0 kW (S51).
  • Somit wird der BZ-Ausgabebefehlswert gemäß dem Ergebnis einer UND-Funktion basierend auf drei Bedingungen korrigiert. Dieser Betrieb wird durch das Erforderliche-Leistung-Korrekturmodul 68 im Kontrollelement 60 durchgeführt. Somit beginnt die Brennstoffzelle 44 eine Leistungserzeugung und die erzeugte Leistung der BZ-Hilfsvorrichtung 14 und dergleichen zugeführt, wodurch das Entladen von dem Akku 32 unterdrückt wird.
  • Die Bedingung für jeden Faktor im obenstehenden Betrieb ist in 3, sowie in 5, illustriert. Entsprechend 5 ist die Rückgewinnung einer Leistung zu einem Zeitpunkt T1 verboten, wenn der Akku 32 mit dem Entladen voranschreitet und der Ladezustand kontinuierlich fällt. In der in 5 dargestellten Konfiguration erreicht der Ladezustand den speziellen Grenzwert A% jedoch zu einem Zeitpunkt T3. Da zum Zeitpunkt T3 das Ergebnis der UND-Funktion bei den drei Bedingungen, wie in 4 beschrieben, 1 ist, wird der BZ-Ausgabebefehlswert von 0 kW auf einen Wert entsprechend der erforderlichen Leistung der Hilfsvorrichtung/Batterieseite korrigiert. In diesem Beispiel wird der BZ-Ausgabebefehlswert von 0 kW auf +6 kW korrigiert.
  • Nach dem Zeitpunkt T3 wird die erforderliche Leistung der Hilfsvorrichtung von der Brennstoffzelle 44 zugeführt. Somit wird das Entladen von dem Akku 32 unterbrochen, der Anstieg des Ladezustandes fest bzw. stabil gehalten, und das Abfallen der Batterietemperatur beschleunigt. Somit wird die Möglichkeit des Überladens des Akkus 32 wie obenstehend bezüglich 3 beschrieben, zuverlässig verhindert.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Antriebssteuersystem
    12
    Rotationsmaschine bzw. Motor
    14
    BZ-Hilfsvorrichtung
    16
    Bremspedaldruckgradsensor
    18
    Brems-ECU
    20
    Beschleunigungswertsensor
    22
    Batterie-ECU
    23
    Ladezustand
    24
    Gewinn
    25
    Temperatur
    30
    Stomversorgungsgerät bzw. Leistungszuführschaltung
    32
    Akku
    34, 38
    Glättungskondensator
    36
    Spannungswandler
    44
    Brennstoffzelle
    46
    M/G-Inverter
    48
    Hilfsvorrichtungsinverter
    60
    Steuerelement
    62
    BZ-Ausgabebefehlswertberechnungsmodul
    64
    Rückgewinnungsbegrenzungsbeurteilungsmodul
    66
    Batteriebegrenzungsbeurteilungsmodul
    68
    Erforderliche-Leistung-Korrekturmodul

Claims (2)

  1. Brennstoffzellenausgabesteuervorrichtung (60), aufweisend: ein Modul, das eine von einem Motor (12) benötigte Leistung berechnet, wobei ein positiver Wert einen Leistungsverbrauch anzeigt, und ein negativer Wert eine Leistungsrückgewinnung anzeigt; ein Modul, das eine Leistung berechnet die von einer Hilfsvorrichtung (14) benötigt wird; ein Modul (62), das einen Ausgabebefehlswert einer Brennstoffzelle (44) gemäß einer Summe der benötigten Leistung des Motors und der benötigten Leistung der Hilfsvorrichtung berechnet; und ein Akku-Beurteilungsmodul (66), das beurteilt, ob sich ein Akku (32) in einem ladebegrenzten Zustand befindet, in dem das Laden des Akkus begrenzt ist und die Leistungsrückgewinnung durch den Motor verboten ist; dadurch gekennzeichnet, dass: die Brennstoffzellenausgabesteuervorrichtung ferner ein Korrekturmodul (68) umfasst, das die benötigte Leistung des Motors aufrecht erhält, wenn sich der Akku nicht im ladebegrenzten Zustand befindet, und das die benötigte Leistung des Motors auf Null korrigiert, wenn (i) die Summe der benötigten Leistung einen negativen Wert aufweist und (ii) das Akku-Beurteilungsmodul bestimmt, dass sich der Akku im ladebegrenzten Zustand befindet, wodurch der Hilfsvorrichtung Leistung von der Brennstoffzelle zugeführt wird, und das Entladen einer Leistung von dem Akku unterdrückt wird.
  2. Brennstoffzellenausgabesteuervorrichtung nach Anspruch 1, weiter aufweisend eine Einheit, welche eine im Akku geladene Leistung erfasst, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn die benötigte Leistung des Motors einen negativen Wert aufweist und bestimmt wird, dass sich der Akku im ladebegrenzten Zustand befindet, und ferner die im Akku geladene Leistung auf einem vorbestimmten speziellen Grenzwert ist, welcher niedriger als ein normaler Grenzwert ist, der zum Begrenzen der Ladung in einem Normalzustand verwendet wird, das Korrekturmodul die benötigte Leistung des Motors auf Null setzt, um das Entladen des Akkus zu begrenzen.
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