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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Ausgangsleistungssteuerung für
eine Brennstoffzelle. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Ausgangsleistungssteuerung
für eine Brennstoffzelle, die einen Ausgangsleistungssteuerungsvorgang
für eine Brennstoffzelle ausführt, die mit einer
Treiberschaltung für eine rotierende elektrische Maschine
verbunden ist.
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Technischer Hintergrund
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Von
dem Standpunkt aus betrachtet, dass durch eine Brennstoffzelle kaum
Auswirkungen auf die Umwelt zu verzeichnen sind, hat man Fahrzeuge mit
Brennstoffzellen ausgestattet. Da es sich bei der Brennstoffzelle
um keine Sekundärbatterie handelt, wird die Brennstoffzelle
daher normalerweise in Kombination mit einem Hochspannungs-Akkumulator
eingesetzt, um Lastschwankungen oder ähnliches ausgleichen
zu können. Die Leistung dieses Hochspannungs-Akkumulators
nimmt bekannterweise aufgrund einer Tiefentladung oder einer Überladung
ab. Um die Leistung des Hochspannungs-Akkumulators konstant halten
zu können, ist es somit wichtig, den Leistungserzeugungsbetrieb
der Brennstoffzelle in einen entsprechend der Lastsituation angemessenen Zustand
zu versetzen.
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Die
Patenschrift 1 offenbart z. B., dass, wenn in einer Steuerung für
ein Brennstoffzellenfahrzeug die Temperatur der Brennstoffzelle
abnimmt, auch die maximale Ausgangsleistung dazu neigt abzunehmen,
und wenn die Drehzahl eines Elektromotors verhältnismäßig
niedrig ist, ist es sehr wahrscheinlich, dass die Ausgangsleistung
des Elektromotors rasch ansteigt, wodurch sich wiederum die Wahrscheinlichkeit
erhöht, dass unter diesen Umständen ein rascher
Abfall einer Systemspannung auftritt, die einer PCU zugeführt
wird. Die Schrift offenbart des Weiteren, dass eine Antriebsanforderung,
die in Reaktion auf einen Drehmomentbefehl ausgegeben wird, anhand
der Drehzahl des Elektromotors und des Öffnungsgrads bzw.
Verstellwegs eines Fahrpedals erhalten wird, und dass eine Motorleistungsbegrenzungs-Startspannung
und eine Motorleistungsbegrenzungs-Endspannung durch die Temperatur der
Brennstoffzelle und die Drehzahl des Motors begrenzt werden, wodurch
ein übermäßig starker Abfall der Systemspannung
verhindert wird. In diesem Zusammenhang handelt es sich bei der
Systemspannung um eine Eingangsspannung in eine Treiberschaltung
des Elektromotors, der als Last bzw. Verbraucher fungiert, und außerdem
um eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle.
Patentschrift
1:
JP-A-2006-345651
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Offenbarung der Erfindung
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Mit der Erfindung zu lösendes
Problem
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Wie
die Patentschrift 1 offenbart, wird anhand der Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien
bzw. des Drehmoment-Drehzahl-Kennfelds einer rotierenden elektrischen
Maschine bei einer Nennspannung auf Basis eines Drehmomentbefehlswerts,
der durch einen Fahrpedalverstellweg und dergleichen angezeigt wird,
ein Ausgangsleistungsbefehlswert für eine Brennstoffzelle
berechnet. Das heißt, dass der Ausgangsleistungsbefehlswert
für die Brennstoffzelle so berechnet wird, dass er einer
durch die rotierende elektrische Maschine bei Nennspannung verbrauchten
Leistung gerecht wird bzw. diese abdeckt. In diesem Fall handelt
es sich bei der Nennspannung um die Antriebsspannung der rotierenden
elektrischen Maschine; d. h. in Patentschrift 1 also um die auf
eine Systemspannung bezogene Nennspannung. Die Nennspannung wird
als ein Referenzwert zum Ausführen eines Betriebssteuerungsvorgangs
in der rotierenden elektrischen Maschine, in einem Brennstoffzellensystem
und in einem mit dem Brennstoffzellensystem oder ähnlichem
ausgestatteten Antriebssystem herangezogen, und auf Basis der Nennspannung
werden verschiedene Einstellungen ausgeführt.
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Wenn
hingegen die Systemspannung niedriger als die Nennspannung ist,
unterschreitet die Antriebsspannung der rotierenden elektrischen
Maschine die Nennspannung. In diesem Fall wird der Ausgangsleistungsbefehlswert
für die Brennstoffzelle auf Basis der Nennspannung berechnet,
und somit wird die erzeugte Leistung der Brennstoffzelle sehr viel höher
als die Leistung, die durch die als Last fungierende rotierende
elektrische Maschine verbraucht wird. Wenn im umgekehrten Fall die
Systemspannung höher als die Nennspannung ist, unterschreitet die
erzeugte Leistung der Brennstoffzelle den Wert, der der Leistung
gerecht wird bzw. diese deckt, die durch die als Last fungierende
rotierende elektrische Maschine verbraucht wird. Wenn somit die
Systemspannung für die Treiberschaltung der rotierenden elektrischen
Maschine von der Nennspannung abweicht, könnte der Leistungserzeugungsbetrieb
der Brennstoffzelle von einem für diese angemessenen Zustand
abweichen.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffzellen-Ausgangsleistungssteuerung
zu schaffen, die in der Lage ist, den Leistungserzeugungsbetrieb
einer Brennstoffzelle in einen für diese angemessenen Zustand
in Abhängigkeit von einer Systemspannung für eine
Treiberschaltung einer rotierenden elektrischen Maschine zu versetzen.
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Mittel zur Lösung
der Aufgabe
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Eine
Ausgangsleistungssteuerung für eine Brennstoffzelle gemäß der
vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie aufweist:
eine Drehmomentbegrenzungseinheit zum Begrenzen des Drehmomentbefehlswerts
für eine rotierende elektrische Maschine auf Basis eines
Systemspannungswerts, bei dem es sich um einen Eingangsspannungswert
für eine Treiberschaltung der rotierenden elektrischen
Maschine handelt, die mit der Brennstoffzelle verbunden ist; und
eine Einheit zum Berechnen eines Ausgangsleistungsbefehlswerts für die
Brennstoffzelle entsprechend dem Leistungsverbrauchswert der rotierenden
elektrischen Maschine, der auf Basis des begrenzten Drehmomentbefehlswerts
und der Drehzahl der rotierenden elektrischen Maschine erhalten
wird.
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In
der Ausgangsleistungssteuerung für die Brennstoffzelle
gemäß der vorliegenden Erfindung wird durch die
Drehmomentbegrenzungseinheit der Drehmomentsbefehlswert der rotierenden
elektrischen Maschine auf Basis einer Beziehung zwischen der Drehzahl
und dem Drehmoment der rotierenden elektrischen Maschine, die sich
in Abhängigkeit vom Systemspannungswert verändert,
vorzugsweise begrenzt.
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In
der Ausgangsleistungssteuerung für die Brennstoffzelle
gemäß der vorliegenden Erfindung wird durch die
Drehmomentbegrenzungseinheit der Drehmomentbefehlswert der rotierenden
elektrischen Maschine vorzugsweise begrenzt, wenn der Systemspannungswert
auf einen Wert vermindert bzw. gesenkt wird, bei dem eine Niedereffizienz-Leistungserzeugungsverarbeitung
ausgeführt wird, so dass er niedriger als ein Drehmomentbefehlswert
der rotierenden elektrischen Maschine ist, wenn eine reguläre
Leistungserzeugungsverarbeitung ausgeführt wird.
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Wirkung der Erfindung
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Entsprechend
der vorstehenden Anordnung wird der Drehmomentbefehlswert der rotierenden elektrischen
Maschine auf Basis des Systemspannungswerts durch die Ausgangsleistungssteuerung für
die Brennstoffzelle begrenzt, und der Ausgangsleistungsbefehlswert
für die Brennstoffzelle wird in Abhängigkeit von
dem Leistungsverbrauchswert der rotierenden elektrischen Maschine,
der auf Basis des begrenzten Drehmomentbefehlswerts und der Drehzahl
der rotierenden elektrischen Maschine erhalten wird, wird durch
dieselbe berechnet. Somit wird der Ausgangsbefehlswert der Brennstoffzelle
in Abhängigkeit vom Systemspannungswert eingestellt, und somit
kann die Brennstoffzelle eine angemessene Leistungserzeugung ausführen.
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Die
Ausgangsleitungssteuerung für die Brennstoffzelle begrenzt
außerdem den Drehmomentbefehlswert der rotierenden elektrischen
Maschine auf Basis der Beziehung zwischen der Drehzahl und dem Drehmoments
der rotierenden elektrischen Maschine, die sich in Abhängigkeit
vom Systemspannungswert verändert. In der als Synchrontyp ausgeführten
rotierenden elektrischen Maschine verändert sich z. B.
die Beziehung zwischen der Drehzahl und dem Drehmoment in Abhängigkeit
von der Systemspannung. In einer derartigen rotierenden elektrischen
Maschine wird der Drehmomentbefehlswert auf Basis der Kennlinien
derselben begrenzt, die sich in Abhängigkeit von der Systemspannung
verändern, und der Ausgangsbefehlswert der Brennstoffzelle
wird auf Basis des begrenzten Drehmomentbefehlswerts berechnet.
Der Leistungserzeugungsbetrieb der Brennstoffzelle kann daher in
Abhängigkeit von der Systemspannung in einen für
sie angemessenen Zustand versetzt werden.
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Ferner
wird der Drehmomentbefehlswert der rotierenden elektrischen Maschine
durch die Ausgangsleistungssteuerung für die Brennstoffzelle
begrenzt, wenn der Systemspannungswert auf einen Wert gesenkt wird,
bei dem die Niedereffizienz-Leistungserzeugungsverarbeitung ausgeführt
wird, so dass er niedriger als ein Drehmomentbefehlswert der rotierenden
elektrischen Maschine ist, wenn die reguläre Leistungserzeugungsverarbeitung
ausgeführt wird. Wenn die Brennstoffzelle z. B. eine niedrige Temperatur
aufweist, wird zur Beschleunigung eines Temperaturanstiegs der Leistungserzeugungsbetrieb gelegentlich
innerhalb eines Bereichs ausgeführt, der von den Betriebsbedingungen
der Brennstoffzelle abweicht, bei denen ein optimaler Wirkungsgrad
erreicht werden kann. Dabei handelt es sich um eine sogenannte Aufwärmeerarbeitung
im Niedereffizienz-Leistungserzeugungsbetrieb, und die Ausgangsspannung
der Brennstoffzelle kann z. B. auf einen Wert gesenkt werden, bei
dem der Niedereffizienz-Leistungserzeugungsbetrieb ausgeführt
wird. In diesem Fall wird die Systemspannung gesenkt, und dementsprechend
wird auch der Drehmomentbefehlswert in Abhängigkeit von
der Systemspannung auf einen niedrigeren Wert begrenzt, wobei der
Leistungserzeugungsbetrieb der Brennstoffzelle auf einen angemessenen
Wert eingestellt werden kann.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung
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1 ist
ein Diagramm, das die Anordnung eines Antriebssteuerungssystems
für ein mit einer Brennstoffzelle ausgestattetes Fahrzeug,
das eine rotierende elektrische Maschine beinhaltet, in einer Ausführungsform
gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 ist
ein Diagramm, das ein Beispiel für ein Systemspannungs-Kennfeld
in der Ausführungsform gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt; und
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3 ist
ein Blockdiagramm, das die Funktionen einer Steuerungseinheit in
der Ausführungsform gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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Beschreibung der Bezugszeichen
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10:
Antriebssteuerungssystem, 12: rotierende elektrische Maschine, 14:
Brennstoffzellen-Hilfsmaschine, 16: Bremspedal-Betätigungsbetragssensor, 18:
Brems-ECU, 20: Fahrpedal-Verstellwegsensor, 22:
Batterie-ECU, 30: Leistungsquellenschaltkreis, 32:
Akkumulator, 34, 38: Glättungskondensator, 36:
Spannungswandler, 40: Spannungsdetektor, 44: Brennstoffzelle, 46:
Motor-Generator-Inverter, 48: Hilfsmaschinen-Inverter, 60:
Steuerungseinheit, 62: Speichervorrichtung, 64:
Systemspannungs-Kennfeld, 66: Schnellaufwärmungs-Verarbeitungsmodul, 68:
Drehmomentbefehlswert-Begrenzungsmodul, 70: Brennstoffzellen-Ausgangsleistungsbefehlswert-Berechnungsmodul, 80, 84:
Kennlinie des Fahrbetriebs unter Last und 82, 86:
Kennlinie des regenerativen Bremsens.
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Beste Art und Weise zum Ausführen
der Erfindung
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Nachstehend
erfolgt unter Bezugnahme auf die Zeichnung eine ausführliche
Beschreibung einer Ausführungsform gemäß der
vorliegenden Erfindung. Daneben wird im Folgenden eine Anordnung beschrieben,
bei der eine rotierende elektrische Maschine in einem Fahrzeug montiert
ist, doch kann die rotierende elektrische Maschine auch für
andere Anwendungen als die in einem Fahrzeug verwendet werden, und
es kann somit z. B. auch eine stationär ausgeführte
rotierende elektrische Maschine angewendet werden. Überdies
wird nachstehend ein mit einer Brennstoffzelle ausgestattetes Fahrzeug
beschrieben, das eine rotierende elektrische Maschine beinhaltet,
doch können darin auch eine Mehrzahl von rotierenden elektrischen
Maschinen enthalten sein. Außerdem wird als die rotierende
elektrische Maschine ein Motor-Generator mit den Funktionen eines
Elektromotors und eines Stromgenerators beschrieben, doch die rotierende
elektrische Maschine kann auch nur die Funktion eines Elektromotors
aufweisen, und in dem Fahrzeug können ein Elektromotor
und ein Stromgenerator getrennt voneinander angeordnet sein.
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Überdies
erfolgt nachstehend eine ausführliche Schilderung eines
Falls, wo eine Schnellaufwärmung im Niedereffizienz-Leistungserzeugungsbetrieb
einer Brennstoffzelle ausgeführt wird, um das Drehmoment
der rotierenden elektrischen Maschine auf Basis einer Systemspannung
zu begrenzen, doch ist dies nur als Erläuterungsbeispiel
zu verstehen. Die vorliegende Erfindung kann in jedem Fall, wo das
Drehmoment der rotierenden elektrischen Maschine auf Basis der Systemspannung
begrenzt wird, ebenso ausgeführt werden. Die vorliegende
Erfindung kann z. B. auch in einem Fall praktiziert werden, wo die
Systemspannung in Abhängigkeit von den Fahrbetriebsbedingungen
des Fahrzeugs oder der Umgebung, in der sich das Fahrzeug befindet, begrenzt
wird. Ferner wird nachstehend eine Anordnung als ein Leistungsquellenschaltkreis
beschrieben, der einen Hochspannungs-Akkumulator, eine Brennstoffzelle,
einen Spannungswandler und einen Inverter beinhaltet, der unter
einer hohen Spannung arbeitet, doch kann die Anordnung auch andere
Elemente beinhalten; z. B. ein System-Hauptrelais, eine Niederspannungsbatterie
und einen Gleichstromwandler, der unter einer niedrigen Spannung
arbeitet.
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1 ist
ein Diagramm, das die Anordnung eines Antriebssteuerungssystems 10 für
ein mit einer Brennstoffzelle ausgestattetes Fahrzeug zeigt, das eine
rotierende elektrische Maschine beinhaltet. Im Besonderen wird hier
Bezug auf den Ausgangsleistungssteuerungsvorgang einer Brennstoffzelle
genommen, der ausgeführt wird, um der Veränderung der
Systemspannung gerecht zu werden, die durch die Schnellaufwärmungsverarbeitung
im Niedereffizienz-Leistungserzeugungsbetrieb der Brennstoffzelle bewirkt
wird.
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Das
Antriebssteuerungssystem 10 besteht aus einem Leistungsquellenschaltkreis 30,
der eine Brennstoffzelle 44 und einen Akkumulator 32 beinhaltet,
der als eine Sekundärbatterie fungiert; einer rotierenden
elektrischen Maschine 12 und einer Hilfsmaschine für
die Brennstoffzelle 14 (einer BZ-Hilfsmaschine 14),
die mit diesem Schaltkreis verbunden ist; einem Bremspedal-Betätigungsbetragssensor 16 und
einer elektrischen Steuerungseinheit 18 für die Bremse
(Brems-ECU 18) zum Bestimmen der Antriebsanforderung des
Fahrzeugs; einem Fahrpedalverstellwegsensor 20; einer Batterie-ECU 22 zum Steuern
der Ladung/Entladung des Akkumulators 32; einer Steuerungseinheit 60;
und einer Speichervorrichtung 62, die mit der Steuerungseinheit 60 verbunden
ist.
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Bei
der rotierenden elektrischen Maschine 12 handelt es sich
um einen in dem Fahrzeug montierten Elektromotor-Generator (M/G)
und zudem um eine rotierende elektrische Drehstrom-Synchronmaschine,
die als ein Elektromotor fungiert, wenn diesem Leistung zugeführt
wird, und die während eines Bremsvorgangs als ein Leistungsgenerator
fungiert. Die Drehzahl der rotierenden elektrischen Maschine 12 wird
durch eine geeignete Erfassungseinrichtung erfasst, und der erfasste
Wert wird an die Steuerungseinheit 60 übertragen.
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Bei
der BZ-Hilfsmaschine 14 handelt es sich um eine Hilfsmaschine,
die fit die Brennstoffzelle 44 verwendet wird, und Beispiele
für die Hilfsmaschine sind ein Luftkompressor (ACP), der
in einer Oxidationsgasleitung angeordnet ist, eine Wasserstoffpumpe,
die in einer Brenngasleitung angeordnet ist, und eine Kühlpumpe
für die Brennstoffzelle. Die BZ-Hilfsmaschine 14 nimmt
eine Hochspannungsleistung von z. B. etwa 200 V auf, bei der sie
arbeitet. Zu beachten ist, dass BZ die Abkürzung für
Brennstoffzelle ist, mit der die Brennstoffzelle 44 gemeint
ist. Somit wird nachstehend also die Brennstoffzelle 44 gegebenenfalls
als die BZ bezeichnet.
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Bei
dem Leistungsquellenschaltkreis 30 handelt es sich um einen
Schaltkreis, der mit der rotierenden elektrischen Maschine 12,
bei der es sich um den Motor-Generator handelt, und der BZ-Hilfsmaschine 14 verbunden
ist. Wenn die rotierende elektrische Maschine 12 als ein
Antriebsmotor fungiert, führt der Schaltkreis die Leistung
diesem Motor zu. Wenn die rotierende elektrische Maschine 12 alternativ
als der Stromgenerator fungiert, hat der Schaltkreis die Funktion
des Aufnehmens einer regenerativ gewonnenen Leistung, um den Akkumulator 32 zu
laden, bei dem es sich um die Sekundärbatterie handelt.
Außerdem weist der Schaltkreis die Funktion des Zuführens
der Hochspannungsleistung auf, die für die BZ-Hilfsmaschine 14 benötigt
wird.
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Der
Leistungsquellenschaltkreis 30 besteht aus dem Akkumulator 32,
bei dem es sich um die Sekundärbatterie handelt; einem
Glättungskondensator 34 auf der Seite des Akkumulators;
einem Spannungswandler 36 auf der Seite der Brennstoffzelle; der
Brennstoffzelle 44; einem M/G-Inverter 46, der mit
der rotierenden elektrischen Maschine 12 verbunden ist;
und einem Hilfsmaschineninverter 48, der mit der BZ-Hilfsmaschine 14 verbunden
ist.
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Bei
dem Akkumulator 32 handelt es sich um eine aufladbaren/entladbaren
Hochspannungs-Sekundärbatterie, und dieser hat die Funktion
des Aufteilens der Leistung zwischen dem Akkumulator und der Brennstoffzelle 44 über
den Spannungswandler 36, um Lastschwankungen der rotierenden
elektrischen Maschine 12 und der BZ-Hilfsmaschine 14 und dergleichen
gerecht zu werden bzw. diese auszugleichen. Als der Akkumulator 32 kann
z. B. eine Lithiumionen-Kombinationsbatterie oder eine Nickelwasserstoff-Kombinationsbatterie
mit einer Anschlussspannung von etwa 200 V bis etwa 300 V, ein Kondensator
oder ähnliches verwendet werden. Es ist zu beachten, dass
der Akkumulator 32 eine sogenannte Hochspannungsbatterie
ist, und wenn einfach das Wort „Batterie” erwähnt
wird, ist damit häufig der Akkumulator 32 gemeint.
Daher wird der Akkumulator 32 nachstehend gegebenenfalls
als die Batterie bezeichnet.
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Bei
dem Spannungswandler 36 handelt es sich um einen Schaltkreis,
der die Funktion des Aufteilens der Leistung auf eine Hochspannung
auf der Seite des Akkumulators 32 und eine Hochspannung auf
der Seite der Brennstoffzelle 44 aufweist. Wenn der Akkumulator 32 z.
B. den Antrieb der rotierenden elektrischen Maschine 32 unterstützt,
erfolgt die Zufuhr der Hochspannungsleistung von der Seite des Akkumulators 32 zur
Seite der Brennstoffzelle 44, während die Spannung
gleichzeitig umgewandelt wird. Wenn im umgekehrten Fall der Akkumulator 32 geladen
wird, erfolgt die Zufuhr der Hochspannungsleistung von der Seite
der Brennstoffzelle 44 zur Seite des Akkumulators 32,
während die Spannung gleichzeitig umgewandelt wird. Als
der Spannungswandler 36 kann ein bidirektionaler Wandler
verwendet werden, der eine einen Reaktor bzw. eine Spule beinhaltet.
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Auf
jeder Seite des Spannungswandlers 36 sind die Glättungskondensatoren
angeordnet. Das heißt, dass der Glättungskondensator 34 auf
der Seite des Akkumulators 32 zwischen einem Bus auf der Seite
der positiven Elektrode und einem Bus auf der Seite der negativen
Elektrode so angeordnet ist, dass er den Spannungswandler 36 mit
dem Akkumulator 32 verbindet, und der Glättungskondensator 38 auf der
Seite der Brennstoffzelle 44 ist zwischen dem Bus auf der
Seite der positiven Elektrode und dem Bus auf der Seite der negativen
Elektrode so angeordnet, dass er den Spannungswandler 36 mit
der Brennstoffzelle 44 verbindet.
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Bei
der Brennstoffzelle 44 handelt es sich um eine Art Kombinationsbatterie,
die einen Aufbau aufweist, bei dem eine Mehrzahl von Brennstoffzellen
so kombiniert ist, dass die erzeugte Leistung mit einer hohen Spannung
von etwa 200 V bis etwa 300 V abgenommen werden kann, und die Brennstoffzelle wird
daher als ein Brennstoffzellenstapel bezeichnet. In diesem Zusammenhang
weist eine jeweilige Brennstoffzelle die Funktionen des Zuführens
von Wasserstoff als ein Brenngas zu einer Anodenseite, des Zuführens
von Luft als ein Oxidationsgas zu einer Kathodenseite und des Abnehmens
der Leistung auf, die durch eine chemische Reaktion der Zelle über
einen Elektrolytfilm, bei dem es sich um einen Festpolymerfilm handelt,
erzeugt wird. Für den Betrieb der Brennstoffzelle 44 muss
die BZ-Hilfsmaschine 14 betrieben werden.
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Zwischen
dem Bus auf der Seite der positiven Elektrode und dem Bus auf der
Seite der negativen Elektrode ist ein Spannungsdetektor 40 angeordnet,
der die Brennstoffzelle 44 mit dem Spannungswandler 36 verbinden
soll und der eine Funktion zum Erfassen des Ausgangsspannungswerts
der Brennstoffzelle 44 aufweist. Der Ausgangsspannungswert der
Brennstoffzelle 44 ist ein Eingangsspannungswert für
den M/G-Inverter 46, der mit der rotierenden elektrischen
Maschine verbunden ist, und somit erfasst der Spannungsdetektor 40 einen
sogenannten Systemspannungswert. Der erfasste Systemspannungswert
wird über eine geeignete Signalleitung an die Steuerungseinheit 60 übertragen.
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Bei
dem M/G-Inverter 46 handelt es sich einen Schaltkreis,
der eine Funktion zum Umwandeln einer Hochspannungs-Gleichstromleistung
in eine Dreiphasen-Wechselstrom-Antriebsleistung unter der Steuerung
der Steuerungseinheit 60, um die Leistung zur rotierenden
elektrischen Maschine 12 zuzuführen, und eine
Funktion zum umgekehrten Umwandeln einer regenerativ gewonnenen
Dreiphasen-Wechselstromleistung von der rotierenden elektrischen
Maschine 12 in eine Hochspannungs-Gleichstrom-Ladeleistung.
Der M/G-Inverter 46 kann aus einem Schaltkreis bestehen,
der ein Schaltelement, eine Diode oder dergleichen beinhaltet.
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Der
Hilfsmaschinen-Inverter 48 weist eine Funktion zum Umwandeln
der Hochspannungs-Direktstromleistung in die Dreiphasen-Wechselstrom-Antriebsleistung
unter der Steuerung der Steuerungseinheit 60 auf, um die
Leistung der BZ-Hilfsmaschine 14 zuzuführen. Dieser
Aufbau des Hilfsmaschineninverters 48 ist im Wesentlichen
identisch zu dem des M/G-Inverters 46.
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Anschließend
werden die mit der Steuerungseinheit 60 verbundenen Elemente
beschrieben. Bei dem Bremspedal-Betätigungsbetragssensor 16 handelt
es sich um einen Sensor, der den Betätigungsbetrag eines
Bremspedals oder dergleichen erfasst. Hier weist die Brems-ECU 18 eine
Funktion zum Empfangen des erfassten Werts des Bremspedal-Betätigungsbetragssensors 16 und
eine Funktion zum Umwandeln des Werts in ein Bremsanforderungs-Drehmoment
für die rotierende elektrische Maschine 12 auf,
um das umgewandelte Drehmoment in die Steuerungseinheit 60 einzugeben.
Der Fahrpedal-Verstellwegsensor 20 weist eine Funktion
zum Erfassen des Verstellwegs eines Fahrpedals oder dergleichen
und eine Funktion zum Umwandeln des erfassten Betrags in ein Antriebsanforderungs-Drehmoment
für die rotierende elektrische Maschine 12 auf,
um das umgewandelte Drehmoment in die Steuerungseinheit 60 einzugeben.
Das heißt, dass es sich bei dem Bremspedal-Betätigungsbetragssensor 16 und
dem Fahrpedalverstellwegsensor 20 um Vorrichtungen handelt,
die durch einen Benutzer betätigt werden und ein Anforderungsdrehmoment
für die rotierende elektrische Maschine 12 anzeigen.
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Die
Batterie-ECU 22 ist eine Steuerung mit einer Funktion zum
Erfassen des Zustands des Akkumulators 32, bei dem es sich
um die Hochspannungsbatterie handelt, und zum Steuern und Optimieren
des Ladungs-/Entladungszustands desselben. Beispiele für
den zu überwachenden Zustand des Akkumulators 32 beziehen
sich auf eine Ausgangsspannung, einen Eingangs-/Ausgangsstrom, eine
Temperatur und einen Ladezustand (SOC = state of charge), wobei
die Werte des Zustands gegebenenfalls an die Steuerungseinheit 60 übertragen
werden.
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Die
Speichervorrichtung 62, die mit der Steuerungseinheit 60 verbunden
ist, weist eine Funktion zum Speichern eines Programms oder dergleichen auf,
das durch die Steuerungseinheit 60 ausgeführt werden
soll. Insbesondere hat hier die Speichervorrichtung eine Funktion
zum Speichern der Kennlinien der rotierenden elektrischen Maschine 12;
d. h. eines Systemspannungs-Kennfelds 64, das die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien
in Beziehung zur Systemspannung zeigt.
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Ein
Beispiel für das Systemspannungs-Kennfeld 64 ist
in 2 gezeigt. Eine entsprechende Beschreibung erfolgt
nachstehend unter Verwendung der Bezugszeichen von 1.
Bei dem Systemspannungs-Kennfeld 64 handelt es sich um ein
Diagramm, das die Abhängigkeit der Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien
der rotierenden elektrischen Maschine 12 von der Systemspannung
darstellt. In 2 zeigt die Abszisse die Drehzahl
der rotierenden elektrischen Maschine 12 und die Ordinate das
Drehmoment der rotierenden elektrischen Maschine 12 um
eine Abtriebsachse derselben an, wobei somit die sogenannten Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien
der rotierenden elektrischen Maschine 12 dargestellt sind.
Die durchgehenden Linien in 2 zeigen
an, wie sich das Drehmoment in Bezug auf die Drehzahl verändert,
wenn die Systemspannung eine Nennspannung ist und der Fahrpedalverstellweg
100% beträgt. In diesem Zusammenhang ist die rotierende
elektrische Maschine 12 ein Element, das in einem Fahrzeug
montiert werden kann. Wenn daher das Drehmoment positiv ist, wird
eine Kennlinie 80 des Fahrbetriebs unter Last zum Antreiben
der Antriebsräder des Fahrzeugs herangezogen, und wenn
das Drehmoment negativ ist, wird eine Kennlinie 82 des
regenerativen Bremens in einem gebremsten Zustand des Fahrzeugs
herangezogen.
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In
einem Beispiel wird der Nennspannungswert der Systemspannung beschrieben.
Im vorstehenden Beispiel liegt die Spannung der Brennstoffzelle 44 innerhalb
eines Bereichs von etwa 200 V bis etwa 300 V und kann somit z. B.
auf etwa 240 V eingestellt werden. Wenn hier die Brennstoffzelle 44 eine
niedrige Temperatur aufweist, wird zur raschen Erhöhung
der Temperatur die Leistung unter Bedingungen erzeugt, die von den
optimalen Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle 44 abweichen.
So wird z. B. die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 44 auf
eine Spannung eingestellt, die niedriger als die Spannung bei optimalen
Bedingungen ist, und die Effizienz des Leistungserzeugungsbetriebs
wird dementsprechend vermindert, so dass der daraus resultierende
Rest zur Gewinnung von Wärme genutzt werden kann. Im Fall
des raschen Aufwärmens in einem derartigen Niedereffizienz-Leistungserzeugungsbetrieb
wird die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 44 auf einen
niedrigen Wert eingestellt, und somit weist auch die Systemspannung
einen niedrigen Wert auf. Während des Niedereffizienz-Leistungserzeugungsbetriebs
beträgt die Systemspannung z. B. etwa 180 V.
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Die
rotierende elektrische Maschine 12 ist eine rotierende
elektrische Drehstrom-Synchronmaschine, und dementsprechend wechselt
das Drehmoment bei gleicher Drehzahl in Abhängigkeit vom Wert
der Antriebsspannung, bei der es sich um die Systemspannung handelt,
auf einen höheren oder niedrigeren Wert. Die in 2 als
gestrichelt dargestellten Linien zeigen, wie sich das Drehmoment
in Bezug auf die Drehzahl verändert, wenn die Systemspannung
eine Spannung aufweist, die niedriger ist als die Nennspannung,
und wenn der Fahrpedalverstellweg 100% beträgt. So ist
z. B. ein Fall gezeigt, wo die Antriebsspannung, bei der es sich
um die Systemspannung handelt, 180 V beträgt. Zu beachten ist,
dass in der gleichen Weise wie in dem Fall mit den durchgezogenen
Linien, bei einem positiven Drehmoment eine Kennlinie 84 für einen
Fahrbetrieb unter Last zum Antreiben der Antriebsräder
des Fahrzeugs herangezogen wird, und bei einem negativen Drehmoment
eine Kennlinie 86 für ein regeneratives Bremsen
im gebremsten Zustand des Fahrzeugs herangezogen wird.
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Wenn
in 2 eine Linie, die bei einer bestimmten Drehzahl
gezeigt ist, herangezogen wird und auf das Drehmoment bei der Drehzahl
geachtet wird, weist des Drehmoment im Fall der durchgezogenen Linie,
wo die Systemspannung eine Nennspannung von etwa 240 V beträgt,
einen Wert von einem Punkt A auf. Im Fall der gestrichelt dargestellten Linie
hingegen weist das Drehmoment bei der raschen Aufwärmung
im Niedereffizienz-Leistungserzeugungsbetrieb bei einer Systemspannung
von etwa 180 V einen Wert von einem Punkt B auf, der geringer als
der Wert des Punkts A ist. Wenn in der rotierenden elektrischen
Maschine 12 die Systemspannung von etwa 240 V auf etwa
180 V abnimmt, und zwar unter der Bedingung, dass die gleiche Drehzahl
vorliegt, nimmt auch das Drehmoment vom Wert des Punkts A auf den
Wert des Punkts B ab.
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Wenn
in anderen Worten also die Systemspannung von der Nennspannung auf
die Spannung der Niedereffizienz-Leistungserzeugungsbetrieb abnimmt,
und zwar unter der Bedingung, dass die gleiche Drehzahl vorliegt,
nimmt der Leistungsverbrauchswert der rotierenden elektrischen Maschine 12 auf
B/A ab. Wenn in diesem Zusammenhang der Ausgangsleistungsbefehlswert
für die Brennstoffzelle 44, d. h. ein Leistungserzeugungsbefehlswert,
aufrechterhalten wird und die durch die rotierende elektrische Maschine 12 verbrauchte
Leistung auf B/A abnimmt, verbleibt Leistung in Höhe einer
Menge von (A-B) × Drehzahl unverbraucht zurück.
In diesem Fall erzeugt die Brennstoffzelle 44 folglich
eine überschüssige Leistung, wobei die Überschussleistung an
den Akkumulator 32 übertragen und der Akkumulator 32 gegebenenfalls überladen
wird. Um dieses Problem zu vermeiden, muss der Ausgangsleistungsbefehlswert
für die Brennstoffzelle 44, d. h. der BZ-Ausgangsleistungsbefehlswert,
in Abhängigkeit von den Veränderungen der Kennlinien
in 2 verändert werden. Das heißt,
dass das Systemspannungs-Kennfeld 64 von 2 für
die Veränderung des BZ-Ausgangsleistungsbefehlswert herangezogen
wird.
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1 wiederum
zeigt, dass die Speichervorrichtung 62 das Systemspannungs-Kennfeld 64 von 2 speichert.
Wie vorstehend beschrieben, zeigt das Systemspannungs-Kennfeld 64 die
Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien, die sich in Abhängigkeit von
der Systemspannung verändern. Daher können die
Drehmomentkennlinien anstatt in Form eines Kennfelds auch in der
Form gespeichert werden, dass das Drehmoment unter Hinzuziehung
der Systemspannung und der Drehzahl als Abfrageschlüssel gelesen
werden kann. Die Drehmoment-Kennlinien können z. B. in
Form einer Umwandlungstabelle, in die die Systemspannung und die
Drehzahl eingegeben werden, um den Drehmomentwert auszugeben, in
der Form einer Berechnungsformel und ähnlichem gespeichert
werden.
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Die
Steuerungseinheit 60 weist eine Funktion zum Steuern aller
Elemente des Antriebssteuerungssystems 10 auf, doch weist
sie insbesondere im vorliegenden Zusammenhang eine Funktion zum Verändern
des Ausgangsbefehlswerts der Brennstoffzelle 44 in Abhängigkeit
der Veränderung der Systemspannung auf. Die Steuerungseinheit 60 entspricht
hier einer Ausgangsleistungssteuerung für die Brennstoffzelle
im Antriebssteuerungssystem 10 des Fahrzeugs. Die Steuerungseinheit 60 besteht
aus einem Schnellaufwärmungs-Verarbeitungsmodul 66 zum
Ausführen der schnellen Aufwärmung im Niedereffizienz-Leistungserzeugungsbetrieb
der Brennstoffzelle 44, einem Drehmomentbefehlswert-Begrenzungsmodul 68 zum
Begrenzen des Drehmomentbefehlswerts in Abhängigkeit von
der Veränderung der Systemspannung, die durch die Schnellaufwärmungsverarbeitung
bewirkt wird, und einem BZ-Ausgangsleistungsbefehlswert-Berechnungsmodul 70 zum
Berechnen des Ausgangsbefehlswerts der Brennstoffzelle in Abhängigkeit
von dem begrenzten Drehmomentbefehlswert.
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Die
Steuerungseinheit 60 kann aus einem Computer bestehen,
der für den Einbau in ein Fahrzeug geeignet ist. Die Steuerungseinheit 60 kann
aus einem einzelnen Computer bestehen, doch wenn zusätzlich
noch eine ECU und dergleichen vorhanden sind, die in das Fahrzeug
einzubauen sind, können die Funktionen der Steuerungseinheit 60 als
Teil der Funktionen der in das Fahrzeug einzubauen ECU und dergleichen
genutzt werden. Die jeweiligen Funktionen der Steuerungseinheit 60 können
durch eine Software realisiert werden und können z. B. auch
durch Ausführen eines entsprechenden Brennstoffzellen-Ausgangsleistungssteuerungsprogramms
realisiert werden.
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Der
Betrieb der vorstehenden Anordnung, insbesondere der jeweiligen
Funktionen der Steuerungseinheit 60, wird unter Bezugnahme
auf 3 ausführlicher beschrieben. Die entsprechende
Beschreibung erfolgt nachstehend unter Verwendung der Bezugszeichen
von 1 und 2. 3 entspricht
einem Blockdiagramm, das die Funktionen der Steuerungseinheit 60 zeigt,
doch hier werden die vorstehend genannten Funktionen entsprechend
den Verfahrensabläufen beschrieben, die durch die Steuerungseinheit 60 ausgeführt
werden sollen. Daher entsprechen die Verfahrensabläufe
den jeweiligen Verarbeitungsabläufen des entsprechenden
Brennstoffzellen-Ausgangsleistungssteuerungsprogramm.
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Das
Brennstoffzellen-Ausgangsleistungssteuerungsprogramm wird gestartet
und dahingehend eine Beurteilung vorgenommen, ob die Brennstoffzelle 44 die
vorbestimmten Bedingungen für die Ausführung einer
Schnellaufwärmungsverarbeitung erfüllt oder nicht.
Diese Beurteilung kann z. B. durch Vergleichen der Temperatur der
Brennstoffzelle 44 mit der Temperatur des Brennstoffzellen-Kühlwassers
oder der Außenluft mit einem vorbestimmten Temperaturschwellwert
vorgenommen werden. Wenn beurteilt bzw. bestimmt wird, dass die
Bedingungen für die Ausführung der Schnellaufwärmungsverarbeitung
erfüllt sind, wird ein Befehl zum vorzeitigen Ausführen
des Leistungserzeugungsbetriebs unter Bedingungen eines Niedereffizienz-Leistungserzeugungsbetriebs
an die Brennstoffzelle 44 erteilt. Dieses Verfahren wird
durch die Funktion des Schnellaufwärmungs-Verarbeitungsmoduls 66 der Steuerungseinheit 60 ausgeführt.
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Wie
unter Bezugnahme auf 2 beschrieben wird, wird somit
die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 44 auf einen vorbestimmten
niedrigen Spannungswert eingestellt, wodurch die Systemspannung
einen Spannungswert erreicht, der die Nennspannung unterschreitet.
In dem vorstehenden Beispiel nimmt die Systemspannung von der Nennspannung
von etwa 240 V auf etwa 180 V ab. Zu beachten ist, dass, wenn der
reguläre Leistungserzeugungsbetrieb und der Niedereffizienz-Leistungserzeugungsbetrieb
auf diese Weise geschaltet werden, der Drehmomentbegrenzungswert
vorzugsweise einer Ratenbegrenzungsverarbeitung unterzogen wird, um
dadurch die Verschlechterung des Fahrverhaltens zu unterdrücken.
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Als
nächstes werden die in 3 gezeigten Schritte
ausführt. Zuerst werden ein Drehmomentbefehl für
einen Fahrbetrieb unter Last und ein Drehmomentbefehl für
ein regeneratives Bremsen, der durch den Fahrzeuglenker angefordert
wird, auf Basis von jeweils dem Fahrpedalverstellweg und dem Bremspedal-Betätigungsgrad
berechnet (S10, S12, S14 und S16), und die erhaltenen Werte werden
zusammenaddiert, um in Form einer Drehmomentsynthese bzw. Drehmomentzusammensetzung
ein Anforderungsdrehmoment zu erhalten (S18). Der Drehmomentbefehl
für den Fahrbetrieb unter Last wird berechnet, indem der
Fahrpedalverstellweg basierend auf dem erfassten Wert des Fahrpedal-Verstellwegsensors 20 umgewandelt
wird, und der Drehmomentbefehl für ein regeneratives Bremsen
wird berechnet, indem mit der Brems-ECU 18 der erfasste Wert
des Bremspedal-Betätigungsbetragssensors 16 in
das Drehmoment umgewandelt wird.
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Der
durch die Drehmomentsynthese erhaltene Wert wird der Überwachungsverarbeitung
eines maximalen Regenerativdrehmoments unterzogen (S20). Hier wird
eine Verarbeitung ausgeführt, die S16 ähnlich
ist, doch die Berechnung von S18 wird zusätzlich ausgeführt,
und somit wird zur Bestätigung erneut eine Begrenzungsverarbeitung
ausgeführt. Anschließend wird die Drehmomentbegrenzungsverarbeitung
durch die Temperatur der rotierende elektrischen Maschine 12 oder
des M/G-Inverters 46 ausgeführt (S22). Dann wird
die Drehmomentbegrenzungsverarbeitung durch die Ausgangsspannung des
Hochspannungs-Akkumulators 32 ausgeführt (S24).
Somit werden die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien anhand des Verstellwegs
des Fahrpedals, das durch den Fahrzeuglenker betätigt wird, und
dergleichen erhalten. Bis zu diesem Schritt kann die Berechnung
beispielsweise unter einem Betrieb bei Nennspannung vorgenommen
werden.
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Als
nächstes wird die Systemspannung erfasst, und die Begrenzungsverarbeitung
des maximalen und minimalen Drehmoments wird in Abhängigkeit
von der Systemspannung ausgeführt (S26). Dieser Schritt
wird ausgeführt, indem das Systemspannungs-Kennfeld 64 von
der Speichervorrichtung 62 durch die Funktion des Drehmomentbefehlswert-Begrenzungsmoduls 68 der
Steuerungseinheit 60 gelesen wird. Insbesondere werden
das maximale Drehmoment und das minimale Drehmoment durch Verwendung
der Systemspannung, die durch den Spannungsdetektor 40 erfasst
wird, und der von der rotierenden elektrischen Maschine übertragenen Drehzahl,
die als Abfrageschlüssel dienen, vom Systemspannungs-Kennfeld 64 gelesen.
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Hier
handelt es sich bei dem maximalen Drehmoment um das Drehmoment während
des Fahrbetriebs unter Last, d. h. wenn das Drehmoment positiv ist,
und bei dem minimalen Drehmoment um das Drehmoment während
der Regeneration, d. h. wenn das Drehmoment negativ ist. Daher ist
unter dem maximalen Drehmoment und dem minimalen Drehmoment bei
Systemspannung die Kennlinie 80 oder 84 des Fahrbetriebs
unter Last in dem Fall zu verstehen, wenn das Drehmoment positiv
ist, bzw. die Kennlinie 82 oder 86 des regenerativen
Bremsens in dem Fall, wenn das Drehmoment im Drehmoment-Drehzahl-Kennfeld
von 2 negativ ist. In dem vorstehend angeführten
Beispiel wird, wenn die Systemspannung die Nennspannung aufweist,
die Obergrenze des maximalen Drehmoments durch die Kennlinie 80 für
den Fahrbetrieb unter Last begrenzt und die Untergrenze der minimalen
Kennlinie wird durch die Kennlinie 82 des regenerativen
Bremsens begrenzt. Wenn außerdem die Systemspannung etwa
180 V beträgt, wird die Obergrenze des maximalen Drehmoments
durch die Kennlinie 84 des Fahrbetriebs unter Last begrenzt,
und die Untergrenze der minimalen Kennlinie wird durch die Kennlinie 86 des
regenerativen Bremsens begrenzt.
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Wenn
die Begrenzungsverarbeitung des Drehmoments bei der Systemspannung;
d. h. die Begrenzungsverarbeitung des Drehmomentbefehlswerts, auf
diese Weise ausgeführt wird, werden der begrenzte Drehmomentbefehl
für den Fahrbetrieb unter Last und der begrenzte Regenerativdrehmomentbefehl
zusammenaddiert, um einen zusammengesetzten Drehmomentbefehlswert
zu erhalten (S28). Wenn z. B. der Bremspedal-Betätigungsbetrag
null ist und der Fahrpedal-Verstellweg 100% beträgt und
die Systemspannung etwa 180 V aufweist, entspricht der zusammengesetzte
Drehmomentbefehlswert dem Wert des Punkts B, wie durch 2 dargestellt
wird. Dieser zusammengesetzte Drehmomentbefehlswert wird mit der
Drehzahl der rotierenden elektrischen Maschine 12 multipliziert,
um den Leistungsverbrauch der rotierenden elektrischen Maschine 12 zu
erhalten (S30). Dann wird als ein dieser Leistungsaufnahme entsprechender
Wert der Leistungserzeugungsbefehlswert der Brennstoffzelle 44, d.
h. der BZ-Ausgangsleistungsbefehlswert, berechnet (S32). Der berechnete
BZ-Ausgangsbefehlswert wird dem Hilfsmaschinen-Inverter 48 angezeigt,
und die BZ-Hilfsmaschine 14 wird angetrieben, um zu bewirken,
dass die Brennstoffzelle 44 die dem Befehlswert entsprechende
Leistung erzeugt.
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Somit
wird der BZ-Ausgangsleistungswert in Abhängigkeit von der
Systemspannung berechnet, und somit kann die Brennstoffzelle 44 die
Leistung zweckmäßig erzeugen.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Das
Antriebssteuerungssystem 10 der vorliegenden Erfindung
kann in einer Anwendung verwendet werden, bei der das Drehmoment
einer rotierenden elektrischen Maschine auf Basis einer Systemspannung
begrenzt wird, und kann z. B. auch in einem Fahrzeug, an dem die
rotierende elektrische Maschine (ein Stromgenerator oder ein Elektromotor)
montiert ist, oder in einer rotierenden elektrischen Maschine, die
in einer anderen Vorrichtung als einem Fahrzeug verwendet wird,
wie z. B. eine stationäre rotierende elektrische Maschine,
verwendet werden.
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Zusammenfassung
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Ausgangsleistungssteuerung
für eine Brennstoffzelle
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In
einem Antriebssteuerungssystem 10 für ein mit
einer Brennstoffzelle ausgestattetes Fahrzeug, das eine rotierende
elektrische Maschine beinhaltet, beinhaltet eine Steuerungseinheit 60 ein Schnellaufwärmungs-Verarbeitungsmodul 66 zum Ausführen
eines schnellen Aufwärmvorgangs im Niedereffizienz-Leistungserzeugungsbetrieb
einer Brennstoffzelle 44, ein Drehmomentbefehlswert-Begrenzungsmodul 68 zum
Begrenzen des Drehmomentbefehlswerts in Abhängigkeit von
der Veränderung einer Systemspannung, die durch eine Schnellaufwärmungs-Verarbeitung
bewirkt wird, und ein BZ-Ausgangsleistungsbefehlswert-Berechnungsmodul 70 zum
Berechnen des Ausgangsbefehlswerts der Brennstoffzelle in Abhängigkeit
von dem begrenzten Drehmomentbefehlswert. In einer Speichervorrichtung 62,
die mit der Steuerungseinheit 60 verbunden ist, wird das
Systemspannungs-Kennfeld 64 gespeichert, das die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien
der rotierenden elektrischen Maschine in Abhängigkeit von
der Systemspannung zeigt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2006-345651
A [0003]
