DE112008002923T5 - Brennstoffzellen-System - Google Patents

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Abstract

Brennstoffzellen-System aufweisend:
eine Brennstoffzelle, die elektrische Leistung durch eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Brennstoffgas und einem Oxidationsgas erzeugt;
einen Motor, der über eine Zufuhr von elektischer Leistung angetrieben werden kann und regenerative Leistung erzeugen kann;
eine Leistungs-Speicher-Einheit, die bezüglich des Motors mit der Brennstoffzelle parallel geschaltet ist, und die durch Leistung, die von der Brennstoffzelle erzeugt wird sowie durch regenerative Leistung des Motors aufgeladen werden kann, und die Ladungsleistung zum Motor hin entladen kann;
eine Behelfsvorrichtung, die zum Betreiben von zumindest der Brennstoffzelle verwendet wird; und
eine Steuereinheit, die eine Leistungsverteilung zwischen der Brennstoffzelle, der Leistungs-Speicher-Einheit, dem Motor und der Behelfsvorrichtung steuert, wobei
die Steuereinheit die Leistungsverteilung unter Verwendung eines Leistungserzeugungs-Befehlswerts bestimmt, der auf einer erforderlichen Leistung basiert, die bei einem normalen Betrieb zu erzeugen ist, während die Steuereinheit bei einer Schutzsteuerung vor Potentialspitzen, die Leistungsverteilung unter Verwendung eines Leistungserzeugungs-Messwerts der Brennstoffzelle anstelle des...

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellen-System und betrifft insbesondere ein Brennstoffzellen-System bei dem ein Motor vorgesehen ist, der über die Zufuhr von elektrischer Leistung angetrieben werden kann und regenerative Leistung erzeugen kann.
  • Hintergrund der Erfindung
  • In den letzten Jahren sorgten Brennstoffzellen-Systeme für Aufmerksamkeit, die als Energiequelle eine Brennstoffzelle einsetzen, die elektrische Leistung durch eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Brennstoffgas und einem Oxidationsgas erzeugt. Während bei den Brennstoffzellen-Systemen ein unter Hochdruck stehendes Brennstoffgas aus einem Brennstoff-Tank an einer Anode der Brennstoffzelle zugeführt wird, wird Luft, die als ein Oxidationsgas dient, über Druckbeaufschlagung an der Kathode derselben zugeführt, und es wird eine elektrochemische Reaktion zwischen dem Brennstoffgas und dem Oxidationsgas zum Ablauf gebracht, bei der eine elektromotorische Kraft erzeugt wird.
  • Unter solchen Brennstoffzellen-Systemen setzen sich die Brennstoffzellen-Systeme, die bei einem Fahrzeug eingebaut sind, meistens jeweils aus einer Brennstoffzelle, einer Sekundärbatterie, einem Antriebsmotor und einer Behelfsvorrichtung zusammen, und werden durch eine passende Steuerung der Leistungsverteilung dieser Bauteile betrieben.
  • Solche Brennstoffzellen-Systeme umfassen ein Brennstoffzellen-System, indem die SOC (verbleibende Kapazität) der Sekundärbatterie so gesteuert wird, dass sie innerhalb eines vorbestimmten Bereichs sinkt indem sie eine zu erzeugende erforderliche Leistung ausbalanciert, die basierend auf z. B. dem Öffnungswinkel des Gaspedals, einer regenerativen Leistung des Antriebsmotors und einer von der Brennstoffzelle erzeugten Leistung, bestimmt wird (siehe z. B. Patent Dokument 1).
    • Patent Dokument 1: WO 2002/015316 Druckschrift
  • Offenbarung der Erfindung
  • Von der Erfindung zu lösende Aufgabe
  • Bei Brennstoffzellen-Systemen wurde bereits über die Ausführung einer Schutzsteuerung vor Potentialspitzen nachgedacht, die verhindert, dass unter einer vorbestimmten Bedingung eine Spannung der Brennstoffzelle gleich groß oder höher wird als ein vorbestimmter Grenzwert, um ein Fortschreiten des Verschleißes der Brennstoffzelle zu verhindern. Während einer solchen Schutzsteuerung vor Potentialspitzen kann selbst dann, wenn die Erteilung eines Leistungs-Erzeugungs-Befehls bezüglich der Brennstoffzelle gestoppt worden ist, die Brennstoffzelle elektrische Leistung erzeugen, was zu einem Fehler zwischen einem Leistungserzeugungs-Befehlswert und einer aktuellen in der Brennstoffzelle erzeugten elektrischen Leistung führt.
  • Bei dem Zustand, in dem ein solcher Fehler aufgetreten ist, kann keine geeignete Leistungsverteilung bereitgestellt werden, was z. B. zu einem Überladen der Sekundärbatterie führen kann.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellen-System vorzuschlagen, das zur Bereitzustellung einer geeigneten Leistungsverteilung befähigt ist.
  • Mittel zum Lösen der Aufgabe
  • Die vorliegende Erfindung sieht ein Brennstoffzellen-System vor, umfassend: eine Brennstoffzelle, die elektrische Leistung durch eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Brennstoffgas und einem Oxidationsgas erzeugt; einen Motor, der über eine Zufuhr von elektrischer Leistung angetrieben werden kann und regenerative Leistung erzeugen kann; eine Leistungs-Speicher-Einheit, die bezüglich des Motors mit der Brennstoffzelle parallel geschaltet ist, und die durch Leistung, die von der Brennstoffzelle erzeugt wird sowie durch regenerative Leistung des Motors aufgeladen werden kann, und die eine Ladungsleistung zum Motor hin entladen kann; eine Behelfsvorrichtung, die zum Betreiben von zumindest der Brennstoffzelle verwendet wird; und eine Steuereinheit, die eine Leistungsverteilung zwischen der Brennstoffzelle, der Leistungs-Speicher-Einheit, dem Motor und der Behelfsvorrichtung steuert, indem die Steuereinheit die Leistungsverteilung unter Verwendung eines Leistungs-Erzeugungs-Befehlswert bestimmt, der auf einer erforderlichen Leistung basiert, die bei einem normalen Betrieb zu erzeugen ist, während die Steuereinheit bei einer Schutzsteuerung vor Potentialspitzen, die Leistungsverteilung unter Verwendung eines Leistungserzeugungs-Messwerts der Brennstoffzelle anstelle des Leistungserzeugungs-Befehlswerts bestimmt, wodurch verhindert wird, dass eine Spannung der Brennstoffzelle gleich groß oder höher wird als ein vorbestimmter Spannungs-Grenzwert zum Schutz vor Potentialspitzen, der geringer ist als die Leerlaufspannung der Brennstoffzelle.
  • Mit einem solchen Aufbau wird bei der Schutzsteuerung vor Potentialspitzen, die verhindert dass die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle gleich groß oder höher wird als ein vorbestimmter Spannungs-Grenzwert zum Schutz vor Potentialspitzen, selbst dann, wenn die Brennstoffzelle elektrische Leistung erzeugt obwohl die Erteilung des Leistungserzeugungs-Befehls an die Brennstoffzelle gestoppt worden ist, was zu einem Fehler zwischen dem Leistungserzeugungs-Befehlswert und der aktuellen durch die Brennstoffzelle erzeugten Leistung führt, die Leistungsverteilung unter Verwendung des Leistungserzeugungs-Messwerts der Brennstoffzelle anstelle des Leistungserzeugungs-Befehlswerts bestimmt, und dadurch kann die Leistungsverteilung in geeigneter Weise erlangt werden.
  • Bei dem obenstehenden Aufbau kann, wenn die Steuereinheit die Schutzsteuerung vor Potentialspitzen ausführt während der Betrieb der Brennstoffzelle gestoppt ist, die Steuereinheit die Leistungsverteilung unter Verwendung eines Leistungserzeugungs-Messwerts der Brennstoffzelle anstelle des Leistungserzeugungs-Befehlswerts bestimmen.
  • Ebenso kann, wenn die Steuereinheit die Schutzsteuerung vor Potentialspitzen ausführt während der Leistungserzeugungs-Befehlswert Null ist, die Steuereinheit die Leistungsverteilung unter Verwendung eines Leistungserzeugungs-Messwerts anstelle des Leistungserzeugungs-Befehlswerts bestimmen.
  • Wirkungsweise der Erfindung
  • Gemäß dem Brennstoffzellen-System der Erfindung kann eine geeignete Leistungsverteilung bereitgestellt werden, wodurch z. B. ein Überladen einer Leistungs-Speicher-Einheit verhindert wird.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein Aufbaudiagramm des Systems, das ein Brennstoffzellen-System gemäß einer Ausführungsform der Erfindung schematisch abbildet.
  • 2 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel zum Ablauf einer Schutzsteuerung vor Potentialspitzen zeigt, die ausgeführt wird, wenn in dem Brennstoffzellen-System eine intermittierende Betriebsweise erforderlich ist.
  • Beste Art und Weise zur Ausführung der Erfindung
  • Anschließend wird unter Bezugnahme auf die angefügten Zeichnungen eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • 1 ist ein Diagramm, das den primären Aufbau in einem Brennstoffzellen-System 100 gemäß dieser Ausführungsform zeigt.
  • Diese Ausführungsform zielt auf Brennstoffzellen-Systeme ab, die bei einem Fahrzeug wie z. B. Brennstoffzellen-Hybridfahrzeuge (FCHV), elektrische Fahrzeuge und Hybridfahrzeuge eingebaut sind, jedoch kann das Brennstoffzellen-System nicht nur bei den Fahrzeugen sondern auch bei verschiedenen mobilen Objekten (z. B. zweirädrige Fahrzeuge, Schiffe, Flugzeuge und Roboter) angewendet werden. Des Weiteren können nicht nur Brennstoffzellen-Systeme, die bei einem mobilen Objekt eingebaut sind, sondern auch stationäre Brennstoffzellen-Systeme und tragbare Brennstoffzellen-Systeme einbezogen werden.
  • Das obenstehende Fahrzeug wird durch einen Traktionsmotor 61 angetrieben, der als Antriebskraft-Quelle dient und der durch ein Untersetzungsgetriebe 12 mit den Rädern 63L und 63R verbunden ist. Eine Leistungszufuhr des Traktionsmotors 61 ist ein Leistungszufuhr-System 1. Ein Gleichstrom, der von dem Leistungszufuhr-System 1 ausgeht, wird durch einen Inverter 60 in einen Dreiphasen-Drehstrom umgewandelt und dem Traktionsmotor 61 zugeführt. Der Traktionsmotor 61 kann während des Bremsens auch die Funktion eines Leistungserzeugers einnehmen. Das Leistungszufuhr-System 1 besteht aus einer Brennstoffzelle 40, einer Batterie (Leistungs-Speicher-Einheit) 20, einem DC/DC-Wandler 30, usw.
  • Die Brennstoffzelle 40 ist ein Mittel zur Erzeugung elektrischer Leistung aus zugeführten Reaktionsgasen (Brennstoffgas und Oxidationsgas) und es können verschiedene Typen von Brennstoffzellen wie z. B. Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen, Brennstoffzellen mit Phosphorsäureelektrolyt und Schmelzcarbonat-Brennstoffzellen verwendet werden. Die Brennstoffzelle 40 umfasst eine Polymer-Elektrolyt-Membran 41, die z. B. aus einer protonenleitfähigen Ionentauschermembran besteht, die z. B. aus Fluororesin hergestellt wird, und auf einer Oberfläche der Polymer-Elektrolyt-Membran wird ein Platinkatalysator (Elektrodenkatalysator) aufgetragen.
  • Der Katalysator, der auf der Polymer-Elektrolyt-Membran 41 aufgetragen wird ist nicht auf einen Platin-Katalysator begrenzt und es kann ebenso ein Platin-Cobalt-Katalysator (nachstehend vereinfacht als Katalysator bezeichnet) usw. eingesetzt werden. Jede der Zellen, aus der die Brennstoffzelle 40 besteht, umfasst eine Membran-Elektroden-Baugruppe 44 in der eine Anode 42 und eine Kathode 43 ausgebildet ist, z. B. durch Siebdrucktechnik, beidseitig an den Oberflächen der Polymer-Elektrolyt-Membran 41. Die Brennstoffzelle 40 weist einen Stapelaufbau auf, in dem eine Mehrzahl von Elementarzellen in Serien gestapelt ist.
  • Eine Ausgangsspannung (nachstehend vereinfacht als FC-Spannung bezeichnet) und ein Ausgangsstrom (nachstehend vereinfacht als FC-Strom bezeichnet) der Brennstoffzelle 40 werden jeweils durch einen Spannungs-Sensor 92 und einen Strom-Sensor 93 erfasst. Während ein Brennstoffgas wie z. B. Wasserstoffgas von einer Brennstoffgas-Versorgungsquelle 70 zu einer Brennstoff-Elektrode (Anode) der Brennstoffzelle 40 zugeführt wird, wird ein Oxidationsgas wie z. B. Luft von einer Oxidationsgas-Versorgungsquelle 80 zu einer Oxidations-Elektrode (Kathode) derselben zugeführt.
  • Die Brennstoffgas-Versorgungsquelle 70 besteht aus einem Wasserstofftank, verschiedenen Ventilen, usw., und eine Menge an Brennstoffgas, die der Brennstoffzelle 40 zuzuführen ist, wird durch Einstellung des Öffnungswinkels, der AN/AUS-Zeit, usw., gesteuert.
  • Die Oxidationsgas-Versorgungsquelle 80 besteht aus einem Luftkompressor, einem Motor zum Antreiben des Luftkompressors, ein Inverter, usw., und eine Menge an Oxidationsgas, die der Brennstoffzelle 40 zuzuführen ist, wird z. B. durch Einstellung der Drehzahl des Motors eingestellt.
  • Die Batterie 20 ist eine aufladbare und entladbare Sekundärbatterie und besteht aus einer Nickel-Wasserstoff-Batterie, usw. Es ist offensichtlich, dass außer der Sekundärbatterie jeder aufladbare und entladbare Kondensator (z. B. Kondensator) anstelle der Batterie 20 vorgesehen sein kann. Die Batterie 20 ist in eine Entladestrecke eingesetzt und ist mit der Brennstoffzelle 40 parallel geschaltet. Die Batterie 20 und die Brennstoffzelle 40 sind mit dem Inverter 60 für den Traktionsmotor parallel geschalten und der DC/DC-Wandler 30 ist zwischen der Batterie 20 und dem Inverter 60 vorgesehen.
  • Der Inverter 60 ist ein Inverter des Pulsbreitenmodulations-Typs (PWM), der z. B. aus einer Vielzahl von Schaltelementen besteht, und der Inverter 60 transformiert in Übereinstimmung mit einem Steuerbefehl, der durch eine Steuereinheit 10 gegeben wird, eine Gleichstrom-Ausgangsleistung aus der Brennstoffzelle 40 oder der Batterie 20 in eine Drei-Phasen-AC-Leistung und führt die Drei-Phasen-AC-Leistung dem Traktionsmotor 61 zu. Der Traktionsmotor 61 ist ein Motor zum Antreiben der Räder 63L und 63R, und die Drehzahl des Motors ist durch den Inverter 60 gesteuert.
  • Der DC/DC-Wandler 30 ist ein Vollbrückenwandler, der z. B. vier Leistungstransistoren und eine fest zugeordnete Antriebsschaltung (jeweils nicht dargestellt) umfasst. Der DC/DC-Wandler 30 weist auf: die Funktion zur Erhöhung oder Absenkung der DC-Eingangsspannung aus der Batterie 20 und die darauffolgende Ausgabe der DC-Spannung an die Brennstoffzelle 40; und die Funktion zur Erhöhung und Absenkung der DC-Eingangsspannung aus der Brennstoffzelle 40, usw. und die darauffolgende Ausgabe der DC-Spannung an die Batterie 20. Diese Funktionen des DC/DC-Wandler 30 laden und entladen die Batterie 20.
  • Zwischen der Batterie 20 und dem DC/DC-Wandler 30 sind Behelfsvorrichtungen 50, wie z. B. eine Fahrzeug-Behelfsvorrichtung und eine FC-Behelfsvorrichtung, vorgesehen. Die Batterie 20 dient als eine Leistungszufuhr dieser Behelfsvorrichtungen 50. Es ist zu beachten, dass sich die Fahrzeug-Behelfsvorrichtung auf verschiedene Typen der elektrischen Ausstattung bezieht, die während des Betriebs des Fahrzeugs verwendet wird (z. B. Beleuchtungsausstattung, Klimaanlage und hydraulische Pumpe), während sich die FC-Behelfsvorrichtung auf verschiedene Typen der elektrischen Ausstattung bezieht, die zum Betrieb der Brennstoffzelle 40 verwendet werden (z. B. Luftkompressor und Pumpen, die für die Zufuhr des Brennstoffgases und dem Oxidationsgases verwendet werden).
  • Ferner ist eine Isolationswiderstands-Messeinheit 90 an die Beschaltung angeschlossen, die zu der Brennstoffzelle 40 führt. Die Isolationswiderstands-Messeinheit 90 misst einen Isolationswiderstand zwischen der Brennstoffzelle 40 und dem Fahrzeugaufbau.
  • Die Betriebsweisen der oben beschriebenen Bauteile werden durch das Steuergerät (Steuereinheit) 10 gesteuert. Das Steuergerät 10 ist als Mikrocomputer ausgestaltet, in dem eine CPU, ein ROM und ein RAM vorgesehen sind.
  • Das Steuergerät 10 steuert die Einheiten in dem System wie z. B. ein Ventil zur Druckregulierung 71, das in einer Brennstoffgas-Leitung vorgesehen ist, ein Ventil zur Druckregulierung 81, das in einer Oxidationsgas-Leitung vorgesehen ist, die Brennstoffgas-Zufuhrquelle 70, die Oxidationsgas-Zufuhrquelle 80, die Batterie 20, den DC/DC-Wandler 30 und den Inverter 60, in Übereinstimmung mit Sensor-Eingangssignalen.
  • Das Steuergerät 10 erhält Eingänge von verschiedenen Sensorsignalen, z. B. einen Zufuhrdruck des Brennstoffgases, der durch einen Drucksensor 91 erfasst wird, eine FC Spannung der Brennstoffzelle 40, die durch einen Spannungssensor 92 erfasst wird, einen FC Strom der Brennstoffzelle 40, der durch einen Stromsensor 93 erfasst wird, einen SOC (Status der Ladung) Wert, der den SOC der Batterie 20 wiedergibt, der durch einen SOC-Sensor 21 erfasst wird.
  • Selbst wenn eine Ladungsmenge der Batterie 20 Begrenzungen unterliegt, wird bei dieser Ausführungsform z. B. die Schaltungsfrequenz des DC/DC-Wandlers 30 erhöht, während dessen steigt der Energieverlust des DC/DC-Wandlers an, wodurch zuverlässig verhindert wird, dass die Spannung der Brennstoffzelle 40 gleich groß oder höher wird als ein vorbestimmter Spannungsgrenzwert zum Schutz vor Potentialspitzen, der unter einer Leerlaufspannung der Brennstoffzelle 40 liegt.
  • Als Nächstes wird ein Ablauf der Schutzsteuerung vor Potentialspitzen unter Bezug auf 2 beschrieben, der von der Steuereinheit 10 durchgeführt wird, wenn eine intermittierende Betriebsweise erforderlich ist.
  • Das Steuergerät 10 berechnet eine von der Brennstoffzelle 40 erforderliche elektrische Leistung (erforderliche Leistung, die zu erzeugen ist) (Schritt S1). Diese Berechnung wird durchgeführt unter Berücksichtigung von z. B. elektrischer Leistung, die zum Antrieb des Traktionsmotors 61 und den Behelfsvorrichtungen 50 verbraucht wird, regenerativer Leistung des Traktionsmotors 61 und zugeführter Leistung aus der Batterie 20.
  • Das Steuergerät 10 berechnet anschließend unter Verwendung eines nicht dargestellten Kennfelds, das die I-V Kennlinie und die I-P Kennlinie darstellt, eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 40 in Übereinstimmung mit der erforderlichen Leistung (Schritt S3). Dieses Kennfeld wird z. B. aus Experimenten vorab erhalten und ist z. B. zum Zeitpunkt der Auslieferung nach der Herstellung, in einem internen Speicher 11 in dem Steuergerät 10 gespeichert. Es ist zu beachten, dass Werte des Kennfelds feste Werte oder ebenso sequenziell überschreibbare Werte sein können.
  • Das Steuergerät 10 beurteilt anschließend, ob eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 40 abgesenkt werden muss oder nicht (Schritt S5). Das Steuergerät 10 vergleicht insbesondere die Ausgangsspannung mit einer Ziel-Grenz-Spannung zum Schutz vor Potentialspitzen (nachstehend bezeichnet als Grenzspannung Vth) und bestimmt, dass die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 40 gesenkt werden muss, wenn die Ausgangsspannung die Grenzspannung Vth übersteigt. Andererseits bestimmt das Steuergerät 10 dann, wenn die Ausgangsspannung gleich groß oder niedriger ist als die Grenzspannung Vth, dass die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 40 nicht gesenkt werden muss.
  • Die Grenzspannung Vth ist eine Spannung, die niedriger ist als die Leerlaufspannung der Brennstoffzelle 40, und sie wird z. B. aus Experimenten vorab erhalten und ist z. B. zum Zeitpunkt der Auslieferung nach der Herstellung in dem internen Speicher 11 des Steuergerätes 10 gespeichert. Die Grenzspannung Vth kann ein fester Wert sein und kann ebenso ein sequenziell überschreibbarer Wert sein, der sich in Übereinstimmung mit der z. B. umgebenden Umwelt (Lufttemperatur außerhalb, Temperatur der Brennstoffzelle, Luftfeuchtigkeit, Betriebszustand usw.) befindet.
  • Wenn das Steuergerät 10 bei der obenstehenden Beurteilung bestimmt, dass die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 40 nicht gesenkt werden muss (Schritt S5: NEIN), beendet das Steuergerät 10 den Ablauf zum Schutz vor Potentialspitzen, da eine Steuerung zur Verhinderung des Zustands einer Potentialspitze bei der Brennstoffzelle 40 nicht erforderlich ist.
  • Wenn das Steuergerät 10 andererseits in der obenstehenden Beurteilung bestimmt, dass die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 40 gesenkt werden muss (Schritt S5: JA), führt das Steuergerät 10 eine Steuerung zur Durchsetzung einer Senkung der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 40 auf einen Wert aus, der niedriger ist als die Grenzspannung Vth (Schritt S7). An dieser Stelle kann der Wert, auf den die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 40 abgesenkt wird, willkürlich gesetzt werden.
  • Anschließend beurteilt das Steuergerät 10, ob überschüssig Leistung von der Batterie 20 absorbiert werden kann oder nicht (d. h., ob die überschüssige Leistung in der Batterie 20 gespeichert werden kann oder nicht) (Schritt S9). Das Steuergerät 10 beurteilt, ob die überschüssige Leistung von der Batterie 20 absorbiert werden kann oder nicht, insbesondere z. B. durch Einholen des SOC Werts, der durch den SOC Sensor 21 erfasst wird und durch Überprüfen einer verbleibenden Leistungsmenge in der Batterie 20.
  • Wenn das Steuergerät 10 bestimmt, dass die überschüssige Leistung von der Batterie 20 absorbiert werden kann (Schritt S9: JA), lässt das Steuergerät 10 die überschüssige Leistung von der Batterie 20 absorbieren (lässt die überschüssige Leistung in der Batterie 20 speichern) (Schritt S11) und beendet anschließend den Ablauf. Wenn das Steuergerät 10 andererseits bestimmt, dass die überschüssige Leistung nicht von der Batterie 20 absorbiert werden kann (Schritt S9: NEIN), lässt das Steuergerät 10 die überschüssige Leistung P absorbieren, indem z. B. die Schaltfrequenz des DC/DC Wandlers 30 erhöht wird, um den Energieverlust des DC/DC-Wandlers 30 ansteigen zu lassen (Schritt S13) und beendet anschließend den Ablauf.
  • Zusätzlich zu dem obenstehend beschriebenen Ablauf der Schutzsteuerung vor Potentialspitzen führt das Steuergerät 10 dieser Ausführungsform eine Leistungsverteilungssteuerung zwischen der Brennstoffzelle 40, der Batterie 20, dem Traktionsmotor 61 und den Behelfsvorrichtungen 50 aus. Bei dieser Leistungsverteilungsteuerung berechnet das Steuergerät 10 eine mögliche Regenerations-Zulassungs-Leistung, die eine Regeneration des Traktionsmotors 61 zulässt, wie nachstehend beschrieben.
  • Während der Ausführung eines normalen Modus zur Leistungserzeugung wird eine Leistung, die eine Regeneration des Traktionsmotors 61 in einer Leistungsverteilung zulässt, d. h. eine Motor-Regenerations-Zulassungs-Leistung, auf der Basis einer Lade-Zulassungs-Leistung, die ein Laden der Batterie 20 zulässt und einem Leistungserzeugungs-Befehlswert, der auf einer zu erzeugenden erforderlichen Leistung basiert, d. h. eine FC-Befehls-Leistung, wie nachstehend dargestellt berechnet. Motor-Regenerations-Zulassungs-Leistung = Lade-Zulassungs-Leistung + FC-Befehls-Leistung.
  • Hierbei wird die Lade-Zulassungs-Leistung, wie nachstehend dargestellt, auf der Basis einer Leistung, mit der die Batterie 20 geladen werden kann, d. h. eine geeignete Ladeleistung der Batterie; eines Verlusts (Leistungsverbrauch), der durch Behelfsvorrichtungen 50 verursacht wird, d. h. Verlust der Behelfsvorrichtungen (Leistungsverbrauch der Behelfsvorrichtungen); und einer Effizienz des DC/DC-Wandlers 30, d. h. einer Wandlereffizienz, berechnet. Lade-Zulassungs-Leistung = (geeignete Ladeleistung der Batterie + Verlust der Behelfsvorrichtungen) × (1/Wandlereffizienz)
  • Wie obenstehend beschrieben, wird während der Ausführung eines normalen Modus zur Leistungserzeugung der Leistungserzeugungs-Befehlswert, der auf einer zu erzeugenden erforderlichen Leistung basiert, d. h. ein FC-Befehls-Leistung, zur Bestimmung der Leistungsverteilung verwendet.
  • Andererseits ist während der Ausführung eines Ablaufs zum Schutz vor Potentialspitzen bei einem intermittierenden Betriebsmodus ein Befehls-Leistungswert für die Brennstoffzelle 40 gleich Null, da sich das System in einem Zustand eines Ausgangs-Stopps befindet. Dennoch wird die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 40 zwangsweise auf einen Wert unterhalb der Grenzspannung Vth abgesenkt und die Brennstoffzelle 40 erzeugt demzufolge elektrische Leistung. Folglich entsteht ein Bedarf, den Traktionsmotor 61 an der Erzeugung von Leistung zu hindern, die die Lade-Zulassungs-Leistung der Batterie 20 übersteigt.
  • Vor diesem Hintergrund wird, in dem Zustand eines Ausgangs-Stopps, die Motor-Regenerations-Zulassungs-Leistung mit einem FC-Leistungserzeugungs-Messwert berechnet, welcher der Leistungserzeugungs-Messwert der Brennstoffzelle 40 ist, anstelle der FC-Befehls-Leistung. Während der Schutzsteuerung vor Spannungsspitzen wird insbesondere die folgende Berechnung unter Verwendung des FC-Leistungserzeugungs-Messwerts nur in dem Zustand eines Ausgangs-Stopps ausgeführt, welcher der Leitungserzeugungs-Messwert der Brennstoffzelle 40 ist, wodurch die Leistungsverteilung zwischen der Brennstoffzelle 40, der Batterie 20, dem Traktionsmotor 61 und den Behelfsvorrichtungen 50 gebildet wird. Motor-Regenerations-Zulassungs-Leistung = Lade-Zulassungs-Leistung + FC-Leistungserzeugungs-Messwert
  • In Übereinstimmung mit dem Brennstoffzellensystem 100 gemäß der obenstehend beschriebenen Ausführungsform, bestimmt das Steuergerät 10, während der Schutzsteuerung vor Potentialspitzen, die verhindert, dass die Spannung der Brennstoffzelle 40 gleich groß oder höher wird als die vorbestimmte Grenzspannung Vth, selbst wenn die Brennstoffzelle 40 elektrische Leistung erzeugt, obwohl die Erteilung des Leistungserzeugungs-Befehls an die Brennstoffzelle 40 gestoppt wurde, was zu einem Fehler zwischen dem Leistungserzeugungs-Befehlswerts und der aktuellen erzeugten Leistung durch die Brennstoffzelle 40 führt, die Leistungsverteilung unter Verwendung des Leistungserzeugungs-Messwerts der Brennstoffzelle 40 anstelle des FC-Befehlswerts, und dadurch kann die geeignete Leistungsverteilung bereit gestellt werden. Demzufolge kann die Überladung, die in der Batterie 20 erzeugt wird, usw., verhindert werden.
  • Zusammenfassung
  • Brennstoffzellen-System
  • Es wird ein Brennstoffzellen-System vorgeschlagen, das zur Bereitstellung einer geeigneten Leistungsverteilung befähigt ist. Ein Brennstoffzellen-System 100 umfasst: eine Brennstoffzelle 40, die durch eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Brennstoffgas und einem Oxidationsgas elektrische Leistung erzeugt; einen Motor 61, der über die Zufuhr von elektischer Leistung angetrieben werden kann und regenerative Leistung erzeugen kann; eine Leistungs-Speicher-Einheit 20, die durch Leistung, die von der Brennstoffzelle 40 erzeugt wird sowie durch regenerative Leistung des Motors 61 aufgeladen werden kann, und die Ladungsleistung zum Motor 61 hin entladen kann; eine Behelfsvorrichtung 50, die zum Betreiben von zumindest der Brennstoffzelle 40 verwendet wird; und eine Steuereinheit 10, die eine Leistungsverteilung zwischen den obenstehenden Bauteilen steuert. Die Steuereinheit 10 bestimmt die Leistungsverteilung unter Verwendung eines Leistungserzeugungs-Befehlswerts, der auf einer erforderlichen Leistung basiert, die bei einem normalen Betrieb zu erzeugen ist, während die Steuereinheit 10 in einer Schutzsteuerung vor Potentialspitzen die Leistungsverteilung unter Verwendung eines Leistungserzeugungs-Messwerts der Brennstoffzelle 40 anstelle des Leistungserzeugungs-Befehlswerts bestimmt, wodurch verhindert wird, dass eine Spannung der Brennstoffzelle 40 gleich groß oder höher wird als ein vorbestimmter Spannungs-Grenzwert zum Schutz vor Potentialspitzen, der niedriger ist als eine Leerlaufspannung der Brennstoffzelle 40.
  • 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
    • - WO 2002/015316 [0004]

Claims (3)

  1. Brennstoffzellen-System aufweisend: eine Brennstoffzelle, die elektrische Leistung durch eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Brennstoffgas und einem Oxidationsgas erzeugt; einen Motor, der über eine Zufuhr von elektischer Leistung angetrieben werden kann und regenerative Leistung erzeugen kann; eine Leistungs-Speicher-Einheit, die bezüglich des Motors mit der Brennstoffzelle parallel geschaltet ist, und die durch Leistung, die von der Brennstoffzelle erzeugt wird sowie durch regenerative Leistung des Motors aufgeladen werden kann, und die Ladungsleistung zum Motor hin entladen kann; eine Behelfsvorrichtung, die zum Betreiben von zumindest der Brennstoffzelle verwendet wird; und eine Steuereinheit, die eine Leistungsverteilung zwischen der Brennstoffzelle, der Leistungs-Speicher-Einheit, dem Motor und der Behelfsvorrichtung steuert, wobei die Steuereinheit die Leistungsverteilung unter Verwendung eines Leistungserzeugungs-Befehlswerts bestimmt, der auf einer erforderlichen Leistung basiert, die bei einem normalen Betrieb zu erzeugen ist, während die Steuereinheit bei einer Schutzsteuerung vor Potentialspitzen, die Leistungsverteilung unter Verwendung eines Leistungserzeugungs-Messwerts der Brennstoffzelle anstelle des Leistungserzeugungs-Befehlswerts bestimmt, wodurch verhindert wird, dass eine Spannung der Brennstoffzelle gleich groß oder höher wird als ein vorbestimmter Spannungs-Grenzwert zum Schutz vor Potentialspitzen, der niedriger ist als eine Leerlaufspannung der Brennstoffzelle.
  2. Brennstoffzellen-System nach Anspruch 1, wobei, wenn die Steuereinheit die Schutzsteuerung vor Potentialspitzen ausführt während der Betrieb der Brennstoffzelle gestoppt ist, die Steuereinheit die Leistungsverteilung unter Verwendung eines Leistungserzeugungs-Messwerts der Brennstoffzelle anstelle des Leistungserzeugungs-Befehlswerts bestimmt.
  3. Brennstoffzellen-System nach Anspruch 1, wobei, wenn die Steuereinheit die Schutzsteuerung vor Potentialspitzen ausführt während der Leistungserzeugungs-Befehlswert Null ist, die Steuereinheit die Leistungsverteilung unter Verwendung eines Leistungserzeugungs-Messwerts der Brennstoffzelle anstelle des Leistungserzeugungs-Befehlswerts bestimmt.
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