DE112008003475T5

DE112008003475T5 - Brennstoffzellensystem und Brennstoffzellenfahrzeug

Info

Publication number: DE112008003475T5
Application number: DE112008003475T
Authority: DE
Inventors: Michio Toyota-shi Yoshida; Tomoya Toyota-shi Ogawa
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-12-26
Filing date: 2008-12-11
Publication date: 2011-01-20
Anticipated expiration: 2028-12-12
Also published as: KR101151748B1; JP2009158256A; CN101909923B; DE112008003475B4; US20100279187A1; KR20100076020A; US9368850B2; CN101909923A; WO2009081753A1; JP4424418B2

Abstract

Brennstoffzellensystem mit:
einer Brennstoffzelle, welche eine Leistung durch eine elektrochemische Reaktion aus einem Brenngas und einem Oxidationsgas erzeugt;
einem Motor, welcher konfiguriert ist, angetrieben zu werden, und eine Regenerationsleistung durch Aufnehmen einer Leistungszufuhr zu erzeugen;
einem Inverter, welcher eine Gleichstromleistungsausgabe von der Brennstoffzelle in eine Wechselstromleistung wandelt, um die Leistung dem Motor zuzuführen, und dadurch den Antrieb des Motors steuert;
einem Leistungsspeicher, der mit dem Motor parallel zur Brennstoffzelle verbunden ist, und konfiguriert ist, mit der Leistung, die durch die Brennstoffzelle erzeugt wird, und die Regenerationsleistung, die durch den Motor erzeugt wird, aufgeladen zu werden, und konfiguriert ist, die geladene Leistung an den Motor abzugeben;
einem Drehzahldetektor, welcher die Drehzahl des Motors erfasst; und
einer Steuerung, welche bestimmt, ob das Stoppen der Steuerung durch den Inverter bezüglich des Motors basierend auf der vorliegenden Drehzahl des Motors erlaubt wird oder nicht, wobei
die Steuerung...

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorlegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Brennstoffzellenfahrzeug mit diesem System. Insbesondere betrifft sie das Steuern durch einen Inverter bezüglich eines Motors, welcher angetrieben werden kann, und eine Regenerationsleistung durch Aufnehmen einer zugeführten Leistung in einem Brennstoffzellensystem erzeugen kann.
Hintergrund der Erfindung
In den letzten Jahren wurde Brennstoffzellensystemen viel Aufmerksamkeit geschenkt, in welchen eine Brennstoffzelle zum Erzeugen einer Leistung durch eine elektrochemische Reaktion aus einem Brenngas und einem Oxidationsgas als eine Energiequelle bzw. Leistungsquelle verwendet bzw. genutzt wird. Das Brennstoffzellensystem führt das Brenngas mit hohem Druck von einem Brennstofftank bzw. Kraftstofftank einer Anode der Brennstoffzelle zu, verdichtet Luft, und führt sie als das Oxidationsgas einer darin enthaltenen Kathode zu, um die elektrochemische Reaktion mit dem Brenngas und dem Oxidationsgas herbeizuführen, und erzeugt dadurch eine elektromotorische Kraft. Auch die Entwicklung eines Fahrzeugs, in welchem solch ein Brennstoffzellensystem montiert ist, ist fortgeschritten. Das Brennstoffzellensystem, das in dem Fahrzeug zu montieren ist, besteht hauptsächlich aus der Brennstoffzelle, einer Sekundärbatterie, einem laufenden Motor und Hilfsmaschinen.
Inzwischen wird in einem gewöhnlichen Elektrofahrzeug eine Leistung von einer Batterie über einen Inverter oder dergleichen an einen laufenden Motor geleitet, um den Motor zu drehen bzw. anzutreiben, wenn eine Schaltposition auf „Drive (D)” steht, wobei die Antriebskraft des Motors auf ein Antriebsrad übertragen wird. Falls hingegen die Schaltposition auf „Neutral (N)” gestellt wird, wird die Steuerung durch den Inverter gestoppt, und somit der laufende Motor in den Leerlauf geschaltet, und in einen solchen Zustand gebracht, um eine elektromotorische Rückspannung entsprechend einer Drehzahl zu erzeugen (als Abschaltung bezeichnet). Das heißt, der laufende Motor wird durch die Antriebskraft, die vom Antriebsrad entgegengesetzt übertragen wird, rotiert bzw. gedreht, wodurch die Batterie über den Inverter durch die erzeugte elektromotorische Rückspannung geladen wird.
Wenn jedoch die Drehzahl des Motors hoch ist und die Schaltposition auf „N” gestellt wird, wird eine hohe elektromotorische Rückspannung erzeugt, wobei eine Überspannung an der Batterie und an einem Konverter angelegt wird, welche die Dauerfestigkeit bzw. Langlebigkeit vermindern könnte. Um dieses Problem zu lösen, wird bei der herkömmlichen Technologie eine Steuerung ausgeführt, so dass wenn die Schaltposition auf „N” gestellt wird und die Drehzahl des Motors sich auf einem vorbestimmten Grenzwert oder darunter befindet, das Abschalten durchgeführt wird, und wenn die Drehzahl größer als der Grenzwert ist, das Abschalten nicht durchgeführt wird.
Als entsprechende Technologie offenbart Patentdokument 1 eine Technologie, in welcher verhindert wird, dass die sehr hohe elektromotorische Rückspannung erzeugt wird, wenn die „N”-Position ausgewählt ist. Darüber hinaus, um eine Wahrnehmung eines Unterschieds aufgrund der Erzeugung einer Regenerationsbremskraft zu verhindern, stellt eine Zielleistungsberechnungseinrichtung eine Zielspannung in der „N”-Position einheitlich auf Null, wodurch verhindert wird, dass ein Antriebsmoment oder ein Regenerationsmoment durch den Motor erzeugt wird.

[Patentdokument 1] Japanische Patentanmeldung mit der Offenlegungsnummer 9-23508.

Offenbarung der Erfindung
Durch die Erfindung zu lösendes Problem
In einem Elektrofahrzeug, in welchem ein Brennstoffzellensystem montiert ist, gibt es verschiedene Leistungserzeugungszustände (Betriebsmodi), wie zum Beispiel eine Hochpotentialvermeidungssteuerung zum Hemmen bzw. Verhindern der Gesamtspannung einer Brennstoffzelle, auf einen voreingestellten Grenzwert oder darüber eingestellt zu sein, und einen Aufwärmbetrieb zum Anheben der Temperatur der Brennstoffzelle für kurze Zeit im Vergleich zu einem gewöhnlichen Betrieb. Daher, falls gemäß der Drehzahl eines Motors einheitlich gesteuert wird, ob ein Abschalten auf die gleiche Weise wie in einem gewöhnlichen Elektrofahrzeug erlaubt wird oder nicht, wird eine elektromotorische Rückspannung, abhängig von dem Leistungserzeugungszustand der Brennstoffzelle, größer als die maximale Ausgangsspannung der Brennstoffzelle, wobei auf diese oder eine andere Weise die Leistungszuführsteuerung des gesamten Systems beeinflusst werden könnte.
Um dieses Problem zu lösen, ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Einfluss auf die Leistungszuführsteuerung in einem Brennstoffzellensystem mit einem Motor, welcher angetrieben werden kann, und eine Regenerationsleistung durch Aufnehmen einer Leistungszufuhr erzeugen kann, zu vermindern.
Mittel zum Lösen des Problems
Gemäß eines Aspekts der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem vorgesehen, aufweisend: eine Brennstoffzelle, welche eine Leistung durch eine elektrochemische Reaktion aus einem Brenngas und einem Oxidationsgas erzeugt; einen Motor, welcher konfiguriert ist, angetrieben zu werden, und eine Regenerationsleistung durch Aufnehmen der Leistungszufuhr zu erzeugen; einen Inverter, welcher eine Gleichstromleistungsausgabe von der Brennstoffzelle in eine Wechselstromleistung konvertiert bzw. wandelt, um die Leistung dem Motor zuzuführen, und dadurch den Antrieb des Motors steuert; einen Leistungsspeicher, der mit dem Motor parallel zur Brennstoffzelle verbunden ist, und konfiguriert ist, mit der Leistung, die durch die Brennstoffzelle erzeugt wird, und die Regenerationsleistung, die durch den Motor erzeugt wird, aufgeladen zu werden, und konfiguriert ist, die aufgenommene bzw. geladene Leistung an den Motor abzugeben; einen Drehzahldetektor, welcher die Drehzahl des Motors detektiert bzw. erfasst; und eine Steuerung, welche bestimmt, ob das Stoppen der Steuerung durch den Inverter bezüglich des Motors basierend auf der gegenwärtigen bzw. vorliegenden Drehzahl des Motors erlaubt wird oder nicht, wobei die Steuerung die gegenwärtige Drehzahl des Motors mit einem Drehzahlgrenzwert vergleicht, welcher sich gemäß Operationsmodi bzw. Betriebsmodi der Brennstoffzelle verändert, um die Bestimmung bzw. Festlegung durchzuführen.
Gemäß diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird bestimmt, ob das Stoppen (das Abschalten) der Steuerung durch den Inverter bezüglich des Motors unter Verwendung des Drehzahlgrenzwertes, welcher sich gemäß den Operationsmodi der Brennstoffzelle verändert, erlaubt wird oder nicht, wodurch die Erzeugung einer elektromotorischen Rückspannung über die maximale Ausgangsspannung der Brennstoffzelle hinaus unterdrückt wird.
Hierbei, wenn die gegenwärtige Drehzahl des Motors kleiner als der Drehzahlgrenzwert entsprechend des gegenwärtigen Betriebsmodus der Brennstoffzelle ist, erlaubt die Steuerung das Stoppen der Steuerung bzw. des Steuerns durch den Inverter bezüglich des Motors.
Die Steuerung weist einen internen Speicher auf, in welchem die Drehzahlen des Motors entsprechend der maximalen Ausgangsspannungen der Brennstoffzelle in deren Betriebsmodi als die Drehzahlgrenzwerte gemäß den Betriebsmodi gespeichert werden, wobei die Steuerung einen Drehzahlgrenzwert entsprechend dem vorliegenden bzw. gegenwärtigen Betriebsmodus der Brennstoffzelle aus der Mehrzahl von Drehzahlgrenzwerten entnimmt, um die Bestimmung unter Verwendung des Drehzahlgrenzwerts durchzuführen.
Auf diese Weise werden die eingestellten Drehzahlgrenzwerte für die Betriebsmodi vorbereitet, wodurch die Bestimmung basierend auf der Drehzahl durchgeführt werden kann, welche einfach gemessen werden kann, und welche weniger Fehler enthält.
Die Mehrzahl von Betriebsmodi umfasst einen gewöhnlichen Betriebsmodus und einen Hochpotentialvermeidungssteuermodus und/oder einen Aufwärmbetriebsmodus. Der Hochpotentialvermeidungssteuermodus und der Aufwärmbetriebsmodus weisen eine niedrige maximale Ausgangsspannung im Vergleich zu dem gewöhnlichen Betriebsmodus auf, wodurch die Drehzahlgrenzwerte gemäß diesen Betriebsmodi vorbereitet bzw. aufbereitet werden, wodurch die Leistungszuführsteuerung in diesem Brennstoffzellensystem mit einer höheren Sicherheit durchgeführt werden kann.
Darüber hinaus umfasst ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß der vorliegenden Erfindung: Das obenstehende Brennstoffzellensystem; und eine Hilfsmaschine, die für den Betrieb von zumindest der Brennstoffzelle verwendet wird.
Effekt der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Erzeugung einer elektromotorischen Rückspannung über die maximale Ausgangsspannung der Brennstoffzelle hinaus oder ein Überladen des Leistungsspeichers unterdrückt werden, wodurch der Einfluss auf die Leistungszuführsteuerung in dem Brennstoffzellensystem vermindert werden kann. Daher kann ein Elektrofahrzeug, in welchem solch ein Brennstoffzellensystem montiert ist, unter einer stabilen Leistungszuführsteuerung laufen.
Kurze Beschreibung der Figuren
1 zeigt ein Systemdiagramm, das eine Struktur aus einem Hauptteil eines Brennstoffzellenfahrzeugs einschließlich eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
2 zeigt ein Diagramm zum Erläutern eines Verfahrens zum Einstellen eines Drehzahlgrenzwertes entsprechend eines Betriebsmodus;
3 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Steuern eines Abschaltens durch eine Steuereinheit darstellt.
Bezugszeichenliste

10: Steuereinheit (Steuerung)
11: Interner Speicher
20: Batterie (Leistungsspeicher)
40: Brennstoffzelle
50: Hilfsmaschinen (Hilfsmaschine)
60: Inverter
61: Traktionsmotor (Motor)
64: Drehzahldetektor

Beste Art und Weise zum Ausführen der Erfindung
Hiernach wird eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung bezüglich der Figuren beschrieben.
1 zeigt ein Diagramm, das eine Struktur eines Hauptteils eines Brennstoffzellenfahrzeugs mit einem Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
In der vorliegenden Ausführungsform wird von einem Brennstoffzellensystem ausgegangen, das in einem Fahrzeug montiert ist, wie zum Beispiel einem Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug (FCHV, Englisch: Fuel Cell Hybrid Vehicle), einem Elektrofahrzeug oder einem Hybridfahrzeug, wobei die vorliegende Erfindung nicht nur auf dieses Fahrzeug angewandt werden kann, sondern auch bei verschiedenen mobilen Vorrichtungen (zum Beispiel einem Zweiradfahrzeug, einem Schiff, einem Flugzeug, einem Roboter, etc.).
Ein Fahrzeug 100 läuft unter Verwendung eines Traktionsmotors (hiernach vereinfacht als Motor bezeichnet) 61 als eine Antriebskraftquelle, die bzw. der mit Rädern 63L, 63R über ein Untersetzungsgetriebe 12 verbunden ist. Eine Leistungsquelle des Traktionsmotors 61 ist ein Leistungsquellensystem 1. Eine Gleichstromausgabe aus dem Leistungsquellensystem 1 wird durch einen Inverter 60 in einen Drei-Phasen-Wechselstrom gewandelt, und dem Traktionsmotor 61 zugeführt. Der Traktionsmotor 61 kann während des Bremsens als Leistungserzeuger funktionieren. Das Leistungsquellensystem 1 besteht aus einer Brennstoffzelle 40, einer Batterie (einem Leistungsspeicher) 20, einem DC/DC-Wandler 30 und dergleichen.
Die Brennstoffzelle 40 dient zum Erzeugen einer Leistung aus einem zugeführten Reaktionsgas (ein Brenngas und ein Oxidationsgas), wobei Brennstoffzellen verschiedener Typen wie zum Beispiel eines Festpolymertyps, eines Phosphortyps oder eines Schmelzkarbonattyps verwendet werden können. Die Brennstoffzelle 40 umfasst eine Polymerelektrolytmembran 41, die aus einer Protonen leitenden Ionenaustauschmembran besteht, die aus Fluorkohlenstoffharz oder dergleichen besteht, wobei die Oberfläche der Polymerelektrolytmembran 41 mit einem Platinkatalysator beschichtet ist (einem Elektrodenkatalysator).
Dabei ist zu beachten, dass der Katalysator, welcher die Polymerelektrolytmembran 41 abdeckt, nicht auf den Platinkatalysator beschränkt ist, sondern die vorliegende Erfindung auch bei einem Platinkobaltkatalysator (hiernach vereinfacht als Katalysator bezeichnet) angewandt werden kann. Jede Zelle der Brennstoffzelle 40 umfasst eine Membranelektrodenanordnung 44, in welcher eine Anodenelektrode 42 und eine Kathodenelektrode 43 auf beiden Flächen der Polymerelektrolytmembran 41 durch Siebdruck bzw. Rasterdruck oder dergleichen ausgebildet sind. Die Brennstoffzelle 40 weist eine Stapelstruktur auf, in welcher eine Mehrzahl von Einheitszellen in Reihe gestapelt ist.
Ein Brenngas, wie zum Beispiel ein Wasserstoffgas, wird einer Brennstoffelektrode (einer Anode) der Brennstoffzelle 40 von einer Brenngaszuführquelle 70 zugeführt, wobei ein Oxidationsgas einer Sauerstoffelektrode (einer Kathode) von einer Oxidationsgaszuführquelle 80 zugeführt wird.
Die Brenngaszuführquelle 70 umfasst zum Beispiel einen Wasserstofftank, verschiedene Ventile und dergleichen, und einen Ventilöffnungswinkel, wobei eine AN/AUS-Zeit und dergleichen geregelt werden, um den Betrag des Brenngases, das der Brennstoffzelle 40 zuzuführen ist, zu steuern.
Die Oxidationsgaszuführquelle 80 umfasst zum Beispiel einen Luftkompressor, einen Motor, welcher den Luftkompressor antreibt, einen Inverter und dergleichen, wobei die Drehzahl des Motors und dergleichen geregelt wird, um den Betrag des Oxidationsgases, das der Brennstoffzelle 40 zuzuführen ist, zu steuern.
Eine Ausgangsspannung (hiernach als FC-Spannung bezeichnet) und ein Ausgangsstrom (hiernach als FC-Strom bezeichnet) der Brennstoffzelle 40 werden durch einen Spannungssensor 92 bzw. einen Stromsensor 93 erfasst. Darüber hinaus wird eine Initialtemperatur bzw. Anfangstemperatur (hiernach als FC-Temperatur bezeichnet) der Brennstoffzelle 40 durch einen Temperatursensor 94 erfasst.
Die Batterie ist eine aufladbare/entladbare Sekundärbatterie, und besteht zum Beispiel aus einer Nickelwasserstoffbatterie oder dergleichen. Hierbei braucht nicht erwähnt zu werden, dass ein beliebiger Typ eines aufladbaren/entladbaren Leistungsspeichers (zum Beispiel ein Kondensator), der nicht die Sekundärbatterie ist, anstelle der Batterie 20 vorgesehen sein kann. Die Batterie 20 ist in einem Abgabe- bzw. Entladepfad der Brennstoffzelle 40 angeordnet, und parallel mit der Brennstoffzelle 40 verbunden. Die Batterie 20 und die Brennstoffzelle 40 sind parallel mit dem Inverter 60 für den Traktionsmotor verbunden, wobei der DC/DC-Wandler 30 zwischen der Batterie 20 und dem Inverter 60 vorgesehen ist.
Der Inverter 60 ist zum Beispiel ein PWM-Inverter eines Pulsweiten-Modulationssystems, das aus einer Mehrzahl von Schaltelementen besteht, und in Erwiderung auf eine Steuereingabe eine Gleichstromleistungsausgabe von der Brennstoffzelle 40 oder der Batterie 20 in eine Drei-Phasen-Wechselstromleistung wandelt, die von einer Steuereinheit 10 ausgegeben wird, um dem Traktionsmotor 61 die Leistung zuzuführen. Der Traktionsmotor 61 ist ein Motor zum Antreiben der Räder 63L, 63R, wobei die Drehzahl des Motors 61 durch den Inverter 60 gesteuert wird. Darüber hinaus wird die Drehzahl des Motors 61 durch einen Drehzahldetektor 64 erfasst, und zur Steuereinheit 10 übertragen.
Der DC/DC-Wandler 30 ist zum Beispiel ein Vollbrückenwandler, der aus vier Leistungstransistoren und einer Steuerschaltung zur ausschließlichen Verwendung besteht (nicht dargestellt). Der DC/DC-Wandler 30 hat die Funktion zum Anheben oder Absenken einer DC-Spannungseingabe von der Batterie 20, um die Spannung an eine Brennstoffzelle-40-Seite auszugeben, und die Funktion zum Anheben oder Absenken einer DC-Spannungseingabe von der Brennstoffzelle 40 oder dergleichen, um die Spannung zu einer Batterie-20-Seite auszugeben. Darüber hinaus ermöglichen die Funktionen des DC/DC-Wandlers 30 das Laden/Entladen der Batterie 20.
Zwischen der Batterie 20 und dem DC/DC-Wandler 30 sind Hilfsmaschinen 50 wie zum Beispiel Fahrzeughilfsmaschinen und FC-Hilfsmaschinen angeordnet. Die Batterie 20 funktioniert bzw. dient als Leistungsquelle für Hilfsmaschinen 50. Es ist zu beachten, dass die Fahrzeughilfsmaschinen verschiedene Leistungsvorrichtungen (ein Beleuchtungssystem, eine Klimaanlage, eine Hydraulikpumpe, etc.) sind, die während des Betriebs des Fahrzeugs oder dergleichen verwendet werden, wobei die FC-Hilfsmaschinen verschiedene Leistungsvorrichtungen (ein Luftkompressor und eine Pumpe, die für das Zufuhren des Brenngases oder des Oxidationsgases, etc. verwendet werden) sind, die während des Betriebs der Brennstoffzelle 40 verwendet werden.
Die Betriebe der obenstehenden Elemente werden durch die Steuereinheit (die Steuerung) 10 gesteuert. Die Steuereinheit 10 weist eine Struktur eines Mikrocomputers mit einer darin enthaltenen CPU, einem ROM und einem RAM auf.
Die Steuereinheit 10 steuert Systemteile wie zum Beispiel einen Druckregler 71, der in einer Brenngaspassage vorgesehen ist, einen Druckregler 81, der in einer Oxidationsgaspassage vorgesehen ist, die Brenngaszuführquelle 70, die Oxidationsgaszuführquelle 80, die Batterie 20, den DC/DC-Wandler 30 und den Inverter 60, basierend auf eingegebenen Sensorsignalen. An die Steuereinheit 10 werden Signale gegeben, die zum Beispiel den Zuführdruck des Brenngases indizieren, der durch einen Drucksensor 91 erfasst wird, die FC-Spannung der Brennstoffzelle 40, die durch den Spannungssensor 92 erfasst wird, den DC-Strom der Brennstoffzelle 40, der durch den Stromsensor 93 erfasst wird, die FC-Temperatur, die durch den Temperatursensor 94 erfasst wird, die Drehzahl des Motors 61, die durch den Drehzahldetektor 64 erfasst wird, und dergleichen.
Darüber hinaus ist die Steuereinheit 10 mit einer Betriebseinheit 2 verbunden, die durch einen Nutzer betrieben wird, um eine Fahrzeug-Schaltposition (zum Beispiel, P: Parkmodus, R: Rückwärtsgang-Modus, N: Neutraler Modus, D: Fahr- bzw. Drive-Modus, oder dergleichen) auszuwählen. Wenn die Schaltposition geändert wird, wird ein Schaltpositionserfassungssignal von der Betriebseinheit 2 auf die bzw. zu der Steuereinheit 10 übertragen.
Des Weiteren bestimmt die Steuereinheit 10, ob das Antreiben des Traktionsmotors 61 durch den Inverter gestoppt wird oder nicht, wenn die Schaltposition auf „N” gestellt wird, das heißt, ob das Abschalten erlaubt wird oder nicht (Abschaltsteuerung). In diesem Fall führt die Steuereinheit 10 die Bestimmung unter Verwendung des Grenzwerts der Drehzahl, welche sich gemäß dem Betriebsmodus der Brennstoffzelle 40 verändert, basierend auf der Drehzahl des Motors 61 zu diesem Zeitpunkt durch.
Anschließend wird der Grenzwert der Drehzahl, der für die Abschaltsteuerung verwendet wird, bezüglich 2 beschrieben.
Die Betriebsmodi der Brennstoffzelle 40 umfassen zusätzlich zu einem normalen Betriebsmodus einen Hochpotentialvermeidungssteuermodus oder einen Aufwärmbetriebsmodus, in welchen die obere Grenze der Ausgangsspannung auf einen Wert kleiner als ein gewöhnlicher Wert und dergleichen eingestellt wird.
In dem gewöhnlichen Betriebsmodus ist ein maximaler Wert VMAX der Inverterspannung (zum Beispiel eine Leerlaufspannung (Englisch: open end voltage) eines Brennstoffzellenstapels) eine zulässige obere Grenze einer elektromotorischen Rückspannung. Daher wird eine obere Grenzdrehzahl NCONST entsprechend der oberen Grenzspannung VMAX als der Drehzahlgrenzwert eingestellt.
Der Hochpotentialvermeidungssteuermodus ist der Betriebsmodus, in welchem die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 40 gezwungenermaßen auf einen vorbestimmten Spannungsgrenzwert (einen Hochpotentialvermeidungsspannungsgrenzwert) oder darunter vermindert wird, um den Verfall bzw. die Zerstörung der Brennstoffzelle zu unterdrücken bzw. zu verhindern. Der Hochpotentialvermeidungsspannungsgrenzwert ist eine Spannung, die niedriger als die Leerlaufspannung der Brennstoffzelle 40 ist, wobei der Wert im Voraus durch ein Experiment bzw. einen Versuch oder dergleichen erhalten wird, und in einen internen Speicher 11 der Steuereinheit 10 während des Produktversands oder dergleichen gespeichert wird. Darüber hinaus ist eine Umstellung bzw. ein Wechsel in den Hochpotentialvermeidungssteuermodus zum Beispiel basierend auf der FC-Spannung oder dem FC-Strom gesteuert. Insbesondere wenn die FC-Spannung und der FC-Strom in einem vorbestimmten Bereich eines Kennfelds enthalten sind, das vorher bereitgestellt wird, überträgt die Steuereinheit 10 ein Steuersignal an jedes Teil, um in den Hochpotentialvermeidungssteuermodus zu wechseln bzw. zu schalten.
In solch einem Hochpotentialvermeidungssteuermodus ist eine maximale Ausgangsspannung Va der Brennstoffzelle 40 in dem Hochpotentialvermeidungssteuermodus, das heißt, der Hochpotentialvermeidungsspannungsgrenzwert, die zulässige obere Grenze der elektromotorischen Rückspannung. Daher wird eine obere Grenzdrehzahl Na entsprechend der maximalen Ausgangsspannung Va als ein Grenzwert eingestellt.
Demhingegen ist der Aufwärmbetriebsmodus der Betriebsmodus, in welchem während des Niedrigtemperaturstarts eine Selbst-Wärmeerzeugung neben der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 40 begünstigt wird (das heißt, ein Wärmewert bzw. Temperaturwert wird erhöht), um die Temperatur der Brennstoffzelle 40 für eine kurze Zeit, im Vergleich zum gewöhnlichen Betrieb, anzuheben. Der Aufwärmbetrieb wird zum Beispiel durch einen Niedrigeffizienzbetrieb durchgeführt bzw. ermöglicht, in welchem das Reaktionsgas (das Oxidationsgas oder das Brenngas) auf eine Mangelseite gesetzt bzw. eingestellt wird, im Vergleich zu dem gewöhnlichen Betrieb, wobei ein Leistungsverlust vergrößert wird, das heißt, die Leistungserzeugungseffizienz der Brennstoffzelle 40 vermindert wird, um den Wärmewert bzw. Temperaturwert anzuheben, oder einen Betrieb, in welchem der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 40 angehoben wird, und dadurch der Wärmewert, der durch die Leistungserzeugung erzeugt wird, erhöht wird. Darüber hinaus wird ein Wechsel in den Aufwärmbetriebsmodus zum Beispiel basierend auf der FC-Temperatur gesteuert. Insbesondere wenn die FC-Temperatur niedriger als ein vorbestimmter Temperaturgrenzwert ist, überträgt die Steuereinheit 10 das Steuersignal auf jedes Teil, um in den Aufwärmbetriebsmodus zu wechseln bzw. zu schalten.
In solch einem Aufwärmbetriebsmodus ist die maximale Ausgangsspannung Vb während des Aufwärmbetriebs die zulässige obere Grenze der elektromotorischen Rückspannung. Daher wird die obere Grenzdrehzahl Nb entsprechend der maximalen Ausgangsspannung Vb als ein Grenzwert eingestellt.
Die obere Grenzdrehzahl NMAX, Na und Nb beziehen sich entsprechend auf die Betriebsmodi, und sind im internen Speicher 11 der Steuereinheit 10 gespeichert.
Anschließend wird ein Abschaltsteuerbetrieb der Steuereinheit 10, bezüglich 3 beschrieben.
Wenn das Schaltpositionserfassungssignal von der Betriebseinheit 2 in die Steuereinheit 10 in Schritt S01 eingegeben wird, beurteilt die Steuereinheit 10 ob dieses Signal den Zustand „Neutral (N)” indiziert (Schritt S02).
Wenn das Schaltpositionserfassungssignal den „N”-Zustand indiziert, beurteilt die Steuereinheit 10 im Schritt S03, ob der vorliegende Betriebsmodus der Brennstoffzelle 40 der Aufwärmbetriebsmodus ist oder nicht.
Wenn die Brennstoffzelle 40 im Aufwärmbetriebsmodus ist, stellt die Steuereinheit 10 in Schritt S11 die obere Grenzdrehzahl Nb in dem Aufwärmbetriebsmodus auf einen Drehzahlgrenzwert.
Demhingegen beurteilt die Steuereinheit 10 in Schritt S04, wenn sich die Brennstoffzelle 40 nicht im Aufwärmbetriebsmodus befindet, ob der Betriebsmodus der Brennstoffzelle 40 im Hochpotentialvermeidungsmodus ist oder nicht.
Wenn sich die Brennstoffzelle 40 im Hochpotentialvermeidungssteuermodus befindet, stellt die Steuereinheit 10 in Schritt S12 die obere Grenzdrehzahl Na in dem Hochpotentialvermeidungssteuermodus auf den Drehzahlgrenzwert.
Wenn sich die Brennstoffzelle 40 nicht im Aufwärmbetriebsmodus oder dem Hochpotentialvermeidungssteuermodus befindet, stellt die Steuereinheit 10 im Schritt S05 die obere Grenzdrehzahl NCONST im gewöhnlichen Betriebsmodus auf den Drehzahlgrenzwert.
In Schritt S06 vergleicht die Steuereinheit 10 die vorliegende Drehzahl des Motors 61 mit dem Drehzahlgrenzwert, der in einem der Schritte S11, S12 und S05 eingestellt ist. Anschließend wird ein Abstellen in einem Fall erlaubt, in dem die vorliegende Drehzahl kleiner als der Drehzahlgrenzwert ist (Schritt S07). Somit wird die Steuerung des Motors 61 durch den Inverter gestoppt.
Demhingegen wird das Abschalten nicht erlaubt, wenn die vorliegende Drehzahl gleich dem Drehzahlgrenzwert oder darüber ist (S13). Somit wird die Erzeugung der elektromotorischen Rückstellkraft über die maximale Ausgangsspannung (VMAX, Vb oder Va) hinaus in jedem Betriebsmodus verhindert. In diesem Fall wird das Abschalten erlaubt, wenn der Betriebsmodus der Brennstoffzelle 40 gewechselt wird, oder die Drehzahl des Motors 61 kleiner als der Grenzwert, der sich auf einen Bremsbetrieb oder eine natürliche Verlangsamung bezieht, wird.
Wie oben stehend beschrieben, ist es gemäß der vorliegenden Ausführungsform möglich, die Erzeugung der Rückspannung zu verhindern, welche nicht niedriger als die maximale Ausgangsspannung (VMAX, Va oder Vb) in jedem Betriebsmodus der Brennstoffzelle ist. Daher kann eine Überspannung am Auftreten an einer Batterie oder dem Konverter bzw. Wandler gehemmt bzw. vermieden werden.
Es ist zu beachten, dass die vorliegende Ausführungsform eine Struktur aufweist, in welcher die Hilfsmaschinen wie in 1 dargestellt mit dem DC/DC-Wandler an der Batterieseite verbunden sind, wobei die vorliegende Erfindung auch in einer Struktur angewandt werden kann, in welcher die Hilfsmaschinen mit dem DC/DC-Wandler an der Brennstoffzellenseite verbunden sind. In diesem Fall kann die bewertete bzw. erfasste Spannung der Hilfsmaschine am Überschreiten einer sehr großen elektromotorischen Gegenspannung gehindert werden.
Zusammenfassung
Brennstoffzellensystem und Brennstoffzellenfahrzeug
Es wird ein Brennstoffzellensystem mit einem Motor offenbart, welcher angetrieben werden kann, und eine Regenerationsleistung durch Aufnehmen einer Leistungszufuhr erzeugen kann, wobei ein Einfluss auf die Leistungszuführsteuerung vermindert wird. Das Brennstoffzellensystem weist eine Brennstoffzelle 40 auf, welche eine Leistung durch eine elektrochemische Reaktion eines Brenngases und eines Oxidationsgases erzeugt; einen Motor 61, welcher angetrieben werden kann, und die Regenerationsleistung durch Aufnehmen der Leistungszufuhr erzeugt; einen Inverter 60, welcher eine Gleichstromleistungsausgabe von der Brennstoffzelle in eine Wechselstromleistung wandelt, um die Leistung dem Motor zuzuführen, und dadurch das Antreiben des Motors steuert; eine Batterie 20, welche mit dem Motor parallel zur Brennstoffzelle verbunden ist, und welche mit der Leistung, die durch die Brennstoffzelle erzeugt wird, und die Regenerationsleistung, die durch den Motor erzeugt wird, geladen werden kann, und welche die geladene Leistung an bzw. auf den Motor entladen kann; ein Drehzahldetektor 64, welcher die Drehzahl des Motors erfasst; und eine Steuereinheit 10, welche bestimmt, ob das Stoppen der Steuerung durch den Inverter bezüglich des Motors basierend auf der vorliegenden Drehzahl des Motors erlaubt wird oder nicht. Die Steuereinheit vergleicht die vorliegende Drehzahl des Motors mit einem Grenzwert, welcher sich gemäß Betriebsmodi der Brennstoffzelle verändert, um die Bestimmung durchzuführen.

Claims

Brennstoffzellensystem mit: einer Brennstoffzelle, welche eine Leistung durch eine elektrochemische Reaktion aus einem Brenngas und einem Oxidationsgas erzeugt; einem Motor, welcher konfiguriert ist, angetrieben zu werden, und eine Regenerationsleistung durch Aufnehmen einer Leistungszufuhr zu erzeugen; einem Inverter, welcher eine Gleichstromleistungsausgabe von der Brennstoffzelle in eine Wechselstromleistung wandelt, um die Leistung dem Motor zuzuführen, und dadurch den Antrieb des Motors steuert; einem Leistungsspeicher, der mit dem Motor parallel zur Brennstoffzelle verbunden ist, und konfiguriert ist, mit der Leistung, die durch die Brennstoffzelle erzeugt wird, und die Regenerationsleistung, die durch den Motor erzeugt wird, aufgeladen zu werden, und konfiguriert ist, die geladene Leistung an den Motor abzugeben; einem Drehzahldetektor, welcher die Drehzahl des Motors erfasst; und einer Steuerung, welche bestimmt, ob das Stoppen der Steuerung durch den Inverter bezüglich des Motors basierend auf der vorliegenden Drehzahl des Motors erlaubt wird oder nicht, wobei die Steuerung die vorliegende Drehzahl des Motors mit einem Grenzwert vergleicht, welcher sich gemäß Betriebsmodi der Brennstoffzelle verändert, um die Bestimmung durchzuführen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Steuerung das Stoppen des Steuerns durch den Inverter bezüglich des Motors erlaubt, wenn die vorliegende Drehzahl des Motors kleiner als der Drehzahlgrenzwert entsprechend des vorliegenden Betriebsmodus der Brennstoffzelle ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuerung einen internen Speicher aufweist, in welchem die Drehzahlen des Motors entsprechend der maximalen Ausgangsspannungen der Brennstoffzelle in deren Betriebsmodi als die Drehzahlgrenzwerte gemäß der Betriebsmodi gespeichert sind, und die Steuerung einen Drehzahlgrenzwert entsprechend dem vorliegenden Betriebsmodus der Brennstoffzelle aus der Mehrzahl von Drehzahlgrenzwerten entnimmt, um die Bestimmung unter Verwendung des Drehzahlgrenzwerts durchzuführen.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Mehrzahl von Betriebsmodi einen gewöhnlichen Betriebsmodus und einen Hochpotentialvermeidungssteuermodus und/oder einen Aufwärmbetriebsmodus umfassen.
Brennstoffzellenfahrzeug mit: dem Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4; und einer Hilfsmaschine, die für den Betrieb von zumindest der Brennstoffzelle verwendet wird.