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Gebiet der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, und genauer
ein Brennstoffzellensystem mit einem Gleichstromsteller bzw. DC/DC-Wandler,
der mit einer Vielzahl von Phasen ausgestattet ist, und der die
Anzahl der Phasen ändern kann, wobei Nachteile, die sich
aus einer Änderung der Phasenzahl ergeben können, überwunden werden
können.
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Technischer Hintergrund
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Die
meisten Brennstoffzellensysteme sind mit einer Brennstoffzelle und
einer Batterie ausgestattet, die mit überschüssiger
Leistung oder mit regenerativer Leistung aus der Brennstoffzelle
geladen wird. In diesen Brennstoffzellensystemen unterscheiden sich
die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle und die Eingangs-/Ausgangsspannung
der Batterie, und daher ist die Leistungszufuhr so ausgelegt, dass sie
unter Verwendung eines DC/DC-Wandlers durchgeführt wird,
um die Spannung einer Primärseite, mit der die Batterie
verbunden ist, auf die Spannung einer Sekundärseite, mit
der die Brennstoffzelle verbunden ist, zu erhöhen oder
zu senken, oder um die Sekundärseitenspannung auf die Primärseitenspannung
zu senken oder zu erhöhen.
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In
den letzten Jahren wurden DC/DC-Wandler entwickelt, in denen mehrere
Phasenschaltkreise parallel geschaltet sind und die Anzahl aktiver
Phasen geändert werden kann. Beispielsweise offenbart die
japanische Patentveröffentlichung
Nr. 2006-33934 einen Aufbau, bei dem eine Änderung der
Systemlast vorausgesagt wird und die Anzahl der Phasen eines DC/DC-Wandlers
gemäß der vorausgesagten Last geändert
werden kann (siehe Patentdokument 1).
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Ebenso
schlägt die
japanische
Patentveröffentlichung Nr. 2003-235252 eine Leistungsversorgungsschaltung
mit einem mehrstufigen DC/DC-Wandler vom Typ Master/Slave vor, bei
der die Eingangsleistung (Pin) und die Ausgangsleistung (Pout) des
DC/DC-Wandlers anhand einer Messvorrichtung gemessen werden, um
die Zahl paralleler Stufen des DC/DC-Wandlers gemäß der
Ausgangsleistung (Pout) zu bestimmen, und bei der der Wirkungsgrad
der Umwandlung (Pin/Pout) durch den DC/DC-Wandler gemäß Inkrementen
eines Ausgangsspannungs-Befehlswerts so berechnet wird, dass der
Ausgangsspannungs-Befehlswert, der den Wirkungsgrad maximieren kann,
bestimmt wird (siehe Patentdokument 2).
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Als
Vorschlag für einen mehrphasigen DC/DC-Wandler an sich
schlägt beispielsweise die
japanische Patentveröffentlichung
Nr. 2006-311776 einen mehrphasigen DC/DC-Wandler vor, der
eine Kostenreduzierung und eine lange Standzeit des Produkts ermöglicht
(siehe Patentdokument 3).
- Patentdokument 1: japanische Patentveröffentlichung
Nr. 2006-33934
- Patentdokument 2: japanische
Patentveröffentlichung Nr. 2003-235252
- Patentdokument 3: japanische
Patentveröffentlichung Nr. 2006-311776
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Offenbarung der Erfindung
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Problem, das der Erfindung zugrunde liegt
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Die
oben genannten bekannten Verfahren können u. a. durch Schalten
mehrerer Phasen eines DC/DC-Wandlers gemäß einer
Systemlast oder einer Eingangs-/Ausgangsleistung des DC/DC-Wandlers den
Wirkungsgrad verbessern; falls jedoch der Betriebszustand des Systems
sich schnell ändert, beispielsweise falls der Ausgangsspannungs-Befehlswert
an die Brennstoffzelle sich schnell ändert und die tatsächliche
Ausgangsspannung der Brennstoffzelle sich ebenfalls schnell ändert,
würde sich das nachteilig auf das System auswirken (z.
B. würde ein Überstrom durch den DC/DC-Wandler
fließen), und dieses Problem wurde bisher nicht gelöst.
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Demgemäß ist
ein Ziel der vorliegenden Erfindung die Schaffung eines Brennstoffzellensystems,
das einen Spannungswandler aufweist, der mit einer Vielzahl von
Phasen versehen ist und der so ausgelegt ist, dass die Anzahl aktiver
Phasen geändert werden kann, wobei eine Änderung
der Phasenzahl so gesteuert werden kann, dass sich keine Nachteile
für den Spannungswandler ergeben.
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Mittel zur Lösung
des Problems
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Um
das genannte Problem zu lösen, weist ein Brennstoffzellensystem
gemäß der vorliegenden Erfindung einen Spannungswandler
(beispielsweise einen DC/DC-Wandler) auf, der mit einer Vielzahl
von Phasen ausgestattet ist und der so ausgelegt ist, dass die Anzahl
aktiver Phasen geändert werden kann, und dieses Brennstoffzellensystem
weist auf: eine Erfassungseinheit, die einen Systemzustand erfasst,
der eine Änderung eines Ausgangsspannungs-Befehlswerts
für eine Brennstoffzelle in einem bestimmten Umfang oder
darüber hinaus bewirkt; und eine Verbotseinheit, die nicht
zulässt, dass der Spannungswandler mit einer vorgegebenen
oder einer noch kleineren Anzahl von Phasen angesteuert wird, falls
der oben angegebene Systemzustand erfasst wird.
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Falls
der Zustand des Systems eine Änderung des Ausgangsspannungs-Befehlswerts
für die Brennstoffzelle in einem bestimmten Umfang oder darüber
hinaus, d. h. eine schnelle Änderung, bewirkt, wird mit
dieser Gestaltung ein Ansteuern des Spannungswandlers in einer vorgegebenen
oder einer noch kleineren Anzahl von Phasen von vornherein nicht
zugelassen, und demgemäß können Nachteile,
wie ein Überstrom, der durch den Spannungswandler fließt,
wirksam verhindert werden.
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Der
hierin verwendete Ausdruck „Ausgangsspannungs-Befehlswert
für die Brennstoffzelle” bezeichnet einen Steuerwert,
der die Ausgabe einer Spannung von der Brennstoffzelle befiehlt,
aber er kann auch als „Ausgangsspannungswert” verstanden
werden, bei dem es sich um eine Spannung handelt, die von der Brennstoffzelle
infolge der Steuerung auf Basis des Ausgangsspannungs-Befehlswerts
ausgegeben wird.
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Der
oben erläuterte Ausdruck „eine Änderung
des Ausgangsspannungs-Befehlswerts in einem bestimmten Umfang oder
darüber hinaus”, schließt den Fall ein,
dass sich der „Ausgangsspannungs-Befehlswert” schnell ändert,
und die genannte Änderung kann die gleiche spezifische Änderungsrate
oder eine höhere Änderungsrate unabhängig
von Unterschieden des Systemzustands anzeigen, kann aber auch unterschiedliche Änderungsraten
anzeigen, die von Unterschieden des Systemzustands bedingt sind.
Ebenso ist „ein Systemzustand, der eine Änderung
in einem bestimmten Umfang oder darüber hinaus bewirkt” hierin
nicht wörtlich so zu verstehen, dass augenblicklich „eine Änderung
in einem bestimmten Umfang oder darüber hinaus” stattfindet, falls
das System in diesem Zustand ist, sondern es soll vielmehr einen
Zustand bedeuten, in dem vorausgesagt werden kann, dass sich der „Ausgangsspannungs-Befehlswert” voraussichtlich
schnell ändern wird.
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Hierbei
ist es bevorzugt, dass die Verbotseinheit ein Ansteuern des Spannungswandlers
in der vorgegebenen oder einer noch kleineren Anzahl von Phasen
nicht zulässt, falls der oben angegebene Systemzustand
erfasst wird. In einem Systemzustand, in dem die Ausgangsspannung
der Brennstoffzelle sich schnell ändern könnte,
wird mit dieser Gestaltung ein Ansteuern des Spannungswandlers in der
vorgegebenen oder einer noch kleineren Anzahl von Phasen nicht zugelassen,
und somit können Nachteile, wie ein extremer Anstieg des
Reaktorstroms, wirksam eliminiert werden.
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Falls
der oben angegebene Systemzustand erfasst wird, wenn der Spannungswandler
bereits in der vorgegebenen oder einer noch kleineren Anzahl von
Phasen angesteuert wird, ist es hierbei bevorzugt, dass die Verbotseinheit
den Spannungswandler so beeinflusst, dass der Spannungswandler mit
einer größeren Anzahl von Phasen als der vorgegebenen Anzahl
von Phasen angesteuert wird. Falls ein Systemzustand, in dem die
Ausgangsspannung der Brennstoffzelle sich schnell ändern
könnte, erfasst wird, wenn der Spannungswandler mit der
vorgegebenen oder einer noch kleineren Anzahl von Phasen angesteuert
wird, wird mit dieser Gestaltung der Spannungswandler sofort so
beeinflusst, dass er mit einer größeren Anzahl
von Phasen als der vorgegebenen Anzahl von Phasen angesteuert wird,
und somit können Nachteile wie ein extremer Anstieg des Reaktorstroms
einer bestimmten Phase wirksam eliminiert werden, auch wenn die
Ausgangsspannung der Brennstoffzelle sich schnell ändert.
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Die
vorliegende Erfindung ist als Brennstoffzellensystem ausgeführt,
in dem eine Leistungsspeichervorrichtung mit einer Primärseite
eines Spannungswandlers verbunden ist, eine Brennstoffzelle mit
einer Sekundärseite des Spannungswandlers verbunden ist,
und eine Verbrauchervorrichtung mit der Primärseite und/oder
der Sekundärseite des Spannungswandlers verbunden ist.
Der Grund dafür ist, dass das Ansteuern des Spannungswandlers durch Ändern
der Phasenzahl in der obigen Gestaltung effektiv ist.
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Beispielsweise
handelt es sich in einem normalen Betriebsmodus bei dem Systemzustand,
der eine Änderung des Ausgangsspannungs-Befehlswerts für
die Brennstoffzelle in einem bestimmten Umfang oder darüber
hinaus bewirkt, um mindestens einen der folgenden Zustände.
- 1) Einen Zustand, in dem eine Startsequenz
des Brennstoffzellensystems abläuft, oder in dem eine bestimmte
Zeit nach dem Übergang aus der Startsequenz in den Normalbetrieb
vergeht, bis die Betriebsbedingungen sich stabilisiert haben.
Dabei
handelt es sich beispielsweise um den Zustand ab dem Zeitpunkt,
zu dem das System hochgefahren wurde, zu dem die notwendigen Startprozesse
abgeschlossen sind und die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle
geändert wird, um die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle für
den Normalbetrieb zu ändern, bis zur Stabilisierung der
Ausgangsspannung. In einem Fall, wo das Brennstoffzellensystem als
Leistungsquelle für ein Elektroauto installiert ist, ist
mit dem oben genannten Zustand genauer ein bestimmter Zeitraum ab
dem Zeitpunkt gemeint, zu dem die Startsequenz (z. B. der Systemüberprüfungs-
und Aufwärmbetrieb) abgeschlossen ist und die Brennstoffzellenspannung
ansprechend auf die Steuerung des Beschleunigungselements gesenkt
wird.
- 2) Einen Zustand, in dem der Wasserstoffverbrauch der Brennstoffzelle
gesteuert wird.
Dies ist der Zustand, in dem Leistung erzeugt wird,
um verbliebenes Brenngas zu verbrauchen, was während des
Herunterfahrens des Systems durchgeführt werden sollte.
Genauer ist damit der Zustand gemeint, in dem das System heruntergefahren
wird, die Brennstoffzelle diskontinuierlich oder kontinuierlich
auf einen Leistungserzeugungsmodus umgeschaltet wird, um das Brenngas
in den Brenngasleitungen der Brennstoffzelle zu verbrauchen, und
die Ausgangsspannung in eine vorgegebene niedrige Spannung, bei
der es sich um eine Leistungserzeugungsspannung handelt, geändert
werden könnte.
- 3) Einen Zustand, in dem erfasst wird, ob es in einem Relais
der Brennstoffzelle zu einer Verschweißung gekommen ist.
Dies
ist der Zustand, in dem untersucht wird, ob in einem Relais, das
in einem Ausgangspol der Brennstoffzelle vorgesehen ist, eine Verschweißung
stattgefunden hat, um einen abnormalen Strom zu unterbrechen, um
damit Stromlecks usw. zu verhindern. Genauer wird, um zu erfassen,
dass der Relais-Kontakt sich nicht vom EIN-Zustand erholt, auch
wenn kein Strom zum Betätigen des Relais angelegt wird,
die Spannung der Brennstoffzellen-Seite des Spannungswandlers erhöht
und gesenkt, ohne Strom zum Betätigen des Relais anzulegen,
und gemäß dem erfassten Strom von der Brennstoffzelle
wird überprüft, ob es zu einer Verschweißung
in dem Relais gekommen ist. Mit dem oben genannten Zustand ist der
Zustand gemeint, in dem die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle
für diese Überprüfung geändert
wird.
- 4) Einen Zustand, in dem eine Begrenzung des Stroms für
die Brennstoffzelle durchgeführt wird.
Dies ist der
Zustand, in dem irgendeine der Zellen, aus denen die Brennstoffzelle
besteht, einen Spannungsabfall auf oder unter eine zulässige Spannung
aufweist. Genauer sollte die Stromzufuhr von der Brennstoffzelle
vorübergehend unterbrochen werden, falls eine der von einem
Zellenmonitor erfassten Zellenspannungen auf oder unter eine Bezugsspannung
sinkt, und mit dem oben genannten Zustand ist der Zustand gemeint,
wo die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle zu diesem Zweck auf
eine vorgegebene hohe Spannung zurückgebracht wird.
- 5) Einen Zustand, in dem eine Begrenzung der Ausgangsleistung
durchgeführt wird.
Dabei handelt es sich um den Zustand,
in dem eine Ausgangsleistung begrenzt wird, weil in einer Verbrauchervorrichtung
des Systems ein Fehler aufgetreten ist. Genauer ist mit dem oben
genannten Zustand beispielsweise der Zustand gemeint, wo auf ein
Fehlersignal hin, das wegen einer zu großen Menge an Strom
oder Wärme, die von einem eine Verbrauchervorrichtung (z.
B. einen Elektromotor) mit Strom versorgenden Wechselrichter aus-
bzw. abgegeben wird, die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle auf
eine vorgegebene hohe Spannung zurückgebracht wird, um
die Stromversorgung der Verbrauchervorrichtung vorübergehend
zu unterbrechen. Der oben genannte Zustand beinhaltet auch den Zustand, in
dem aufgrund einer erhöhten Temperatur der Brennstoffzelle
oder aus Gründen, die mit dem Brenngas-Versorgungssystem
zusammenhängen, von der Brennstoffzellen-Steuereinrichtung eine
Begrenzung der Ausgangsleistung befohlen wird.
- 6) Einen Zustand, in dem eine Sequenz zum Herunterfahren des
Brennstoffzellensystems abläuft.
Dies ist der Zustand,
wo die Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle unterbrochen
ist, um das System herunterzufahren. Genauer ist mit dem oben genannten
Zustand der Zustand gemeint, dass das Herunterfahren des Systems
befohlen wird, keine Ausgangsleistungsforderung an das System gestellt
wird und die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle auf eine vorgegebene
hohe Spannung zurückgebracht wird, um den Ausgangsstrom
der Brennstoffzelle zu senken.
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Beispielsweise
beinhaltet der Systemzustand, der eine Änderung des Ausgangsspannungs-Befehlswerts
für die Brennstoffzelle in einem bestimmten Umfang oder
darüber hinaus bewirkt, den Zustand, in dem das System
aus einem normalen Betriebsmodus in einen Aussetzbetriebsmodus übergeht.
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Damit
ist der Zustand gemeint, dass die Leistungsversorgung einer Verbrauchervorrichtung
unterbrochen ist und die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle in
eine vorgegebene hohe Spannung geändert wird, um den Leistungserzeugungsstrom
zu senken, um dadurch das System aus einem Leistungserzeugungszustand
in einen Stopp-/Bereitschaftszustand zu überführen.
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Beispielsweise
beinhaltet der Systemzustand, der eine Änderung des Ausgangsspannungs-Befehlswerts
für die Brennstoffzelle in einem bestimmten Umfang oder
darüber hinaus bewirkt, in einem Aussetzbetriebsmodus mindestens
einen der folgenden Zustände.
- 1) Einen
Zustand, in dem irgendwo im Brennstoffzellensystem ein Brenngasleck
erfasst wird.
Dabei handelt es sich um den Zustand, in dem
ein Brenngasleck erfasst wird, wenn das System angehalten oder im
Bereitschaftszustand ist. Genauer muss untersucht werden, ob Gas
aus den Brenngasleitungen usw. des Systems austritt oder nicht,
während die Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle
unterbrochen ist, und mit dem oben genannten Zustand ist der Zustand
gemeint, wo die Brennstoffzelle für diese Untersuchung schnell
auf eine vorgegebene hohe Spannung oder Hochspannungs-Verhinderungsspannung gebracht
wird.
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Der
hierin verwendete Ausdruck „Hochspannungs-Verhinderungsspannung” bezeichnet
eine bestimmte Spannung, die niedriger ist als die maximale Spannung
der Brennstoffzelle, und die Brennstoffzelle wird so gesteuert,
dass sie diese bestimmte Spannung nicht überschreitet,
um die Haltbarkeit der Brennstoffzelle zu verbessern.
- 2) Einen Zustand, in dem ein Aussetzbetrieb durchgeführt
wird, in dem eine Verbrauchervorrichtung nicht arbeitet.
Dabei
handelt es sich um den Zustand, in dem ein Isolierwiderstand, der
in dem System vorgesehen ist, nach Herunterfahren des Systems überprüft wird.
Genauer muss der Isolierwiderstand überprüft werden,
während die Leistungserzeugungsspannung der Brennstoffzelle
geändert wird, und daher wird die Leistungserzeugungsspannung
für diesen Zweck geändert.
- 3) Einen Zustand, dass ein vorgegebener Zeitraum, in dem eine
Rückkehr von einer Aktivierungsbehandlung des Brennstoffzellenkatalysators
stattfindet, noch nicht abgelaufen ist.
Damit ist der Zustand
gemeint, dass eine sogenannte Auffrischungsbehandlung durchgeführt wird,
um den Katalysator der Brennstoffzelle zu aktivieren. Genauer muss
während der Auffrischungsbehandlung die Ausgangsspannung
der Brennstoffzelle auf eine vorgegebene niedrige Spannung gesenkt
werden, welche die Reduktionsreaktion des Katalysators bewirkt.
- 4) Einen Zustand, dass ein vorgegebener Zeitraum für
die Zurücksetzung bzw. die Rückkehr seit einer
Aussetzung der Aktivierungsbehandlung des Brennstoffzellenkatalysators
noch nicht abgelaufen ist.
Damit ist der Zustand gemeint, dass
die Auffrischungsbehandlung ausgesetzt ist und die Ausgangsspannung
der Brennstoffzelle geändert wird. Genauer wird während
der Auffrischungsbehandlung die Brennstoffzellen-Ausgangsspannung
für einen bestimmten Zeitraum niedrig gehalten, um eine
niedrige Spannung beizubehalten, wodurch die Reduktionsreaktion
des Katalysators bewirkt wird; wohingegen die Ausgangsspannung der
Brennstoffzelle in den früheren Zustand zurückgebracht
werden muss, falls es notwendig wird, die Auffrischungsbehandlung
auszusetzen.
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Beispielsweise
beinhaltet der Systemzustand, der eine Änderung des Ausgangsspannungs-Befehlswerts
der Brennstoffzelle in einem bestimmten Umfang oder darüber hinaus
bewirkt, den Zustand, in dem das System von einem Aussetzbetriebsmodus
in einen normalen Betriebsmodus übergeht.
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Damit
ist der Zustand gemeint, dass das System aus einem Stopp-/Bereitschaftszustand,
d. h. einem Niedriglastzustand, in einen Leistungsausgabezustand übergeht.
Genauer muss die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle gesenkt werden,
um die Ausgangsleistung zu erhöhen, wenn eine Leistungsausgabeforderung
an das System gestellt wird (z. B. ein Gaspedal niedergedrückt
wird), und Leistung direkt von der Brennstoffzelle geliefert werden muss.
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Beispielsweise
beinhaltet der Systemzustand, der in einem normalen Betriebsmodus
oder einem Aussetzbetriebsmodus eine Änderung des Ausgangsspannungs-Befehlswerts
für die Brennstoffzelle in einem bestimmten Umfang oder
darüber hinaus bewirkt, mindestens einen der folgenden
Zustände.
- 1) Einen Zustand, dass ein
bestimmter Zeitraum ab einer Zulassung oder einem Verbot eines Hochspannungs-Verhinderungsbetriebs
bis zur Stabilisierung einer Spannungsbedingung noch nicht abgelaufen
ist.
Damit ist der Zustand unmittelbar nach der Zulassung oder
dem Verbot einer Leistungserzeugung gemeint, wo die Ausgangsspannung
auf eine Spannung begrenzt ist, die höchstens so hoch ist wie
eine Hochspannungs-Verhinderungsspannung, bei der es sich um eine
Spannungsobergrenze zur Verbesserung der Haltbarkeit der Brennstoffzelle
handelt. Genauer werden die Zulassung und das Verbot einer Leistungserzeugung
mit der Hochspannungs-Verhinderungsspannung gemäß dem
Systemzustand, dem Leistungserzeugungszustand der Brennstoffzelle,
einem Niedertemperatur-Betriebsmodus, dem Wechsel von Steuerungen
für Temperaturanstiege in einer Leistungsspeichervorrichtung
usw. gesteuert und geschaltet. Die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle ändert
sich nach einem solchen Wechsel zwischen Zulassung und Verbot schnell.
- 2) Einen Zustand, bei dem eine Zielspannung des Hochspannungs-Verhinderungsbetriebs
eine vorgegebene Änderungsrate oder eine höhere Änderungsrate
zeigt.
Damit ist der Zustand gemeint, wo der Lastzustand sich ändert
und die Zielspannung des Hochspannungs-Verhinderungsbetriebs (das
heißt die Hochspannungs-Verhinderungsspannung) sich gemeinsam
mit dem Lastzustand ändert. Genauer ändert sich
die Zielspannung des Hochspannungs-Verhinderungsbetriebs ansprechend
auf die Getriebeschaltposition, falls das Brennstoffzellensystem
als Antriebsquelle für ein Elektroauto verwendet wird,
und somit kann erwartet werden, dass die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle
sich ändert, wenn irgendein Gangwechsel erfasst wird.
- 3) Einen Zustand, dass ein bestimmter Zeitraum nach einer Zulassung
oder einem Verbot einer Leistungszufuhr zu einer Verbrauchervorrichtung bis
zur Stabilisierung von Leistungsbedingungen noch nicht abgelaufen
ist.
Damit ist der Zustand gemeint, dass der Leistungsversorgungszustand
einer Verbrauchervorrichtung geändert wird. Genauer ändert
sich in einem Fall, wo das Brennstoffzellensystem beispielsweise
als Leistungsquelle für ein Elektroauto verwendet wird,
die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle, beispielsweise wenn ein
Fehler, wie eine Überwärmung, in einem Fahrmotor selbst
oder in einem Wechselrichter erfasst wird und der Ansteuerungszulassungszustand
geändert wird.
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Ein
Brennstoffzellensystem-Steuerverfahren gemäß der
vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems,
das eine Spannungssteuereinrichtung aufweist, die mit einer Vielzahl
von Phasen versehen ist und die so gestaltet ist, dass die Anzahl
der aktiven Phasen geändert werden kann, wobei das Verfahren
die folgenden Schritte umfasst: Erfassen eines Systemzustands, der
eine Änderung eines Ausgangsspannungs-Befehlswerts für
eine Brennstoffzelle in einem bestimmten Umfang oder darüber
hinaus bewirkt; und, falls der oben genannte Systemzustand erfasst wird,
Verbieten, dass der Spannungswandler in einer vorgegebenen oder
einer noch kleineren Zahl von Phasen angesteuert wird.
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Hierbei
ist es bevorzugt, dass der Verbotsschritt das Ansteuern des Spannungswandlers
in der vorgegebenen oder einer noch kleineren Zahl von Phasen verhindert,
falls der genannte bestimmte Systemzustand erfasst wird.
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Wenn
der Spannungswandler bereits in der vorgegebenen oder einer noch
kleineren Anzahl von Phasen angesteuert wird, ist es ferner bevorzugt, dass
der Verbotsschritt den Spannungswandler so ändert, dass
der Spannungswandler in einer größeren Anzahl
von Phasen als der vorgegebenen Anzahl von Phasen angesteuert wird,
falls der genannte bestimmte Systemzustand erfasst wird.
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Wirkung der Erfindung
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung wird ein Systemzustand, der zu Nachteilen
für das System führen könnte, im Voraus
erfasst, und falls das System einen solchen Zustand annimmt, wird
ein Ansteuern des Spannungswandlers in einer kleinen Anzahl von
Phasen verboten. Demgemäß können Nachteile
wie ein Überstrom, der durch den Spannungswandler fließt,
wirksam eliminiert werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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1 ist
eine Gesamtsystem-Ansicht eines Brennstoffzellensystems gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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2 ist
ein Strukturschema einer Lasttreiberschaltung und zeigt hauptsächlich
eine Einphasenschaltung, die eine einzelne Phase eines DC/DC-Wandlers 20 darstellt.
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3 ist
ein Blockschaltbild und erläutert den Fluss eines Stroms,
einer Spannung und einer Leistung in den wichtigsten Teilen einer
Schaltung, die hauptsächlich aus dem DC/DC-Wandler besteht.
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4 ist
eine erläuternde Skizze, die den Mechanismus zeigt, der
einen Überstrom in einem Reaktor des DC/DC-Wandlers 20 bewirkt,
wobei 4(a), 4(b), 4(c) und 4(d) folgendes darstellen:
die Beziehung zwischen einem Spannungsbefehl an eine BZ (Brennstoffzelle 22)
und einem Messwert; die Beziehung zwischen einem BZ-Strom und einem
Reaktorstrom; den Zeitpunkt zum Setzen und Absetzen eines Einzelphasenansteuerungs-Flag;
und die Beziehung zwischen einer Totzeitkorrektur und einem Tastgrad
bzw. Tastverhältnis.
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5 ist
eine erläuternde Skizze, welche die Bestimmung der Systemzustände
zeigt, die eine schnelle Änderung des Spannungsbefehlswerts
für die Brennstoffzelle 22 bewirken.
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6 ist
ein Ablaufschema, das den Systemzustands-Überwachungsbetrieb
einer Leistungsquellen-Steuereinrichtung 10 in Bezug auf
einen Spannungsbefehlswert darstellt.
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Beste Weise zur Ausführung
der Erfindung
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Nachstehend
wird eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben.
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In
dieser Ausführungsform wird die vorliegende Erfindung auf
ein Hybrid-Brennstoffzellensystem angewendet, das in einem mobilen
Objekt, wie einem Elektroauto installiert wird.
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(Systemaufbau)
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1 ist
eine Gesamtsystem-Ansicht eines Brennstoffzellensystems gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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Ein
als Hybridsystem ausgelegtes Brennstoffzellensystem (Hybrid-Brennstoffzellensystem 1) gemäß dieser
Ausführungsform weist auf: einen DC/DC-Wandler 20,
eine Hochspannungsbatterie 21, die einer Leistungsspeichervorrichtung
entspricht, eine Brennstoffzelle 22, eine Gegenstrom-Verhinderungsdiode 23,
einen Wechselrichter 24, einen Fahrmotor 25, ein
Differential 26, eine Welle 27, Räder 29, eine
Hybrid-Steuer-Einrichtung 10 und eine Leistungsquellen-Steuereinrichtung 11.
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Die
Hochspannungsbatterie 21 wird von einer Vielzahl von geschichteten
und seriell geschalteten, auf- und entladbaren Batterieeinheiten,
wie Nickel/Wasserstoff-Zellen, gebildet, so dass eine vorgegebene
Spannung ausgegeben werden kann. Ein Batterie-Computer 14,
der mit der Leistungsquellen-Steuereinrichtung 10 kommunizieren
kann, ist am Ausgangspol der Hochspannungsbatterie 21 vorgesehen,
und der Batterie-Computer 14 steuert den Ladungszustand
der Hochspannungsbatterie 21, um einen angemessenen Wert
aufrechtzuerhalten, der nicht zu einer Überladung oder übermäßigen
Entladung führen würde, und dient dazu, die Sicherheit
zu gewährleisten, falls es zu einem Fehler in der Hochspannungsbatterie
kommt.
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Mit
DC/DC-Wandler 20 ist ein Spannungswandler der vorliegenden
Erfindung gemeint, und es handelt sich dabei um einen bidirektionalen
Spannungswandler, der eine Leistung, die auf einer Primärseite
(Eingangsseite, Seite der Batterie 21) eingegeben wird,
wandelt (erhöht oder senkt), um einen Spannungswert zu
erhalten, der sich von der Primärseite unterscheidet, und
diesen an eine Sekundärseite (Ausgangsseite, Seite der
Brennstoffzelle 22) auszugeben, und der umgekehrt eine
Leistung, die auf der Sekundärseite eingegeben wird, so
wandelt, dass eine Spannung erhalten wird, die sich von der Sekundärseite
unterscheidet, und diese an die Primärseite ausgibt. In
dieser Ausführungsform kann durch Erhöhen einer
von der Hochspannungsbatterie 21 ausgegebenen Gleichspannung
(z. B. etwa 200 V) auf eine höhere Gleichspannung (z. B.
etwa 500 V) der Fahrmotor 25 mit niedrigem Strom und hoher Spannung
angesteuert werden, wodurch ein infolge der Leistungszufuhr auftretender
Leistungsverlust verringert wird und der Fahrmotor 25 ein
Motor mit höherer Leistung sein kann.
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Der
DC/DC-Wandler 20 weist eine Vielzahl von Phasenschaltungen
auf und ist so aufgebaut, dass die Anzahl der aktiven Phasen geändert
werden kann. Genauer verwendet der DC/DC-Wandler 20 ein
dreiphasiges Betriebssystem, und was sein spezielles Schaltungssystem
betrifft, so weist der DC/DC-Wandler 20 einen Schaltungsaufbau
eines dreiphasigen Wandlers auf, der als Brückenwandler ausgelegt
ist. Wie in 1 dargestellt, sind in dem Schaltungsaufbau
des als Brückenwandler ausgelegten dreiphasigen Wandlers
drei Brückenwandler-Phasenschaltungen (P1, P2, P3) parallel
verbunden. Jede Phasenschaltung verfügt über eine
Kombination aus einem Schaltungsabschnitt, der einem Wechselrichter ähnelt
und der eine eingegebene Gleichspannung vorübergehend in
einen Wechselstrom umwandelt, und einen Abschnitt, der den Wechselstrom
wieder gleichrichtet und ihn in eine andere Wechselspannung umwandelt.
Genauer sind parallele Verbindungen einer Umschaltvorrichtung Tr und
eines Gleichrichters D in einer Zweiebenen-Struktur sowohl zwischen
den primärseitigen Eingangsanschlüssen als auch
zwischen den sekundärseitigen Eingangsanschlüssen
vorgesehen, und die Punkte zwischen den jeweiligen Zweiebenen-Strukturen
auf der Primärseite und der Sekundärseite sind über
eine Drossel bzw. einen Reaktor L verbunden. Für die Umschaltvorrichtung
Tr kann beispielsweise ein IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
verwendet werden, und für den Wechselrichter D kann eine
Diode verwendet werden. Der DC/DC-Wandler 20 ist so gestaltet,
dass er in passenden Momenten umgeschaltet wird, so dass der Phasenunterschied
zwischen jeder Phasenschaltung 120° (2π/3) wird.
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Hierbei
ist der DC/DC-Wandler 20 so aufgebaut, dass er in der Lage
ist, die aktiven Phasen auf Basis eines Phasenwechsel-Steuersignals
Cph von der Leistungsquellen-Steuereinrichtung 11 willkürlich umzuschalten.
Diese Ausführungsform ist so aufgebaut, dass zwischen einem
Dreiphasenbetrieb und einem Einzelphasenbetrieb auf Basis einer
aktuell gemessenen Last oder Lastvorhersage umgeschaltet wird.
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Wenn
der DC/DC-Wandler 20 durch den Schaltungsaufbau des als
Brückenwandler ausgelegten dreiphasigen Wandlers einen
Gleichstrom vorübergehend in einen Wechselstrom umwandelt, kann
der Tastgrad des Wechselstroms ansprechend auf ein Tastgrad-Steuersignal
Cd von der Leistungsquellen-Steuereinrichtung 11 geändert
werden. Da der Tastgrad des Wechselstroms den effektiven Wert einer
Leistung, die durch den Wandler fließt, ändert, ändert
er infolgedessen auch die Ausgangsleistung und die Ausgangsspannung
des Wandlers. Eine Änderung des Tastgrads ermöglicht
eine schnelle Anpassung der Ausgangsleistung. Eine vorübergehende Änderung
des Tastgrads, wie oben beschrieben, ist besonders wirksam in einer Übergangsperiode zwischen
den Steueroperationen, die ständig vom Wandler durchgeführt
werden.
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Man
beachte, dass ein Eingangsstrom des DC/DC-Wandlers 20 von
einem Stromsensor 15 gemessen werden kann und dass eine
Eingangsspannung Vi von einem Spannungssensor 16 gemessen werden
kann. Ebenso kann ein Ausgangsstrom des DC/DC-Wandlers 20 von
einem Stromsensor 17 gemessen werden, und eine Ausgangsspannung
Vo kann von einem Spannungssensor 18 gemessen werden. Ebenso
ist der Reaktor L in jeder Phase mit einem Stromsensor 19 (19-1, 19-2, 19-3)
versehen, der dafür ausgelegt ist, den Strom, der durch
den Reaktor fließt, zu erfassen.
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Ebenso
kann der DC/DC-Wandler 20 während eines Niedriglastbetriebs
oder einer Bremsoperation einen regenerativen Betrieb durchführen,
in dem der Fahrmotor 25 umgekehrt als Generator verwendet
wird, um Leistung zu erzeugen, und eine Gleichspannung von der Sekundärseite
zur Primärseite des Wandlers gewandelt wird, um die Hochspannungsbatterie 21 zu
laden.
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Der
Brennstoffzellenstapel 22 ist aus einer Vielzahl von gestapelten
und seriell geschalteten Einheitszellen gebildet. Die Einheitszelle
weist einen Aufbau auf, in dem eine Polymerelektrolytmembran usw.
zwischen zwei Elektroden, einer Brennstoffelektrode und einer Luftelektrode,
angeordnet ist, um eine MEA-Baugruppe zu bilden, und die MEA zwischen
Separatoren angeordnet ist, die Brenngas und Oxidierungsgas liefern.
In der Anode ist eine Anodenkatalysatorschicht auf einer porösen
Trägerschicht vorgesehen, und in der Kathode ist eine Kathodenkatalysatorschicht
auf einer porösen Trägerschicht vorgesehen.
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Der
Brennstoffzellenstapel 22 weist ein Brenngas-Zufuhrsystem,
ein Oxidierungsgas-Zufuhrsystem und ein Kühlmittel-Zufuhrsystem
auf, die in der Zeichnung nicht dargestellt sind, und kann durch Steuern
der Brenngaszufuhr und der Oxidierungsgaszufuhr gemäß Steuersignalen
Cfc von der Hybrid-Steuereinrichtung 10 eine bedarfsgerechte
Menge an Leistung erzeugen.
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Der
Wechselrichter 24 ist ein Wechselrichter für einen
Antriebsmotor und wandelt einen Hochspannungs-Gleichstrom, der vom
DC/DC-Wandler 20 verstärkt wird, in einen Dreiphasen-Wechselstrom mit
einem Unterschied von 120 Grad zwischen den einzelnen Phasen um.
Der Wechselrichter 24 führt eine Stromsteuerung
gemäß einem Wechselrichter-Steuersignal Ci von
der Hybrid-Steuereinrichtung 10 durch.
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Der
Fahrmotor 25 dient in dieser Ausführungsform als
Hauptantriebsleistung des Elektroautos, und er erzeugt auch während
einer Abbremsung bzw. Verzögerung regenerative Leistung.
Das Differential 26 ist eine Abbremseinrichtung, die eine
hohe Drehzahl des Fahrmotors 25 auf eine vorgegebene Drehzahl
senkt und die Welle 27, an der Reifen 29 vorgesehen
sind, dreht. Die Welle 27 weist einen Radgeschwindigkeitssensor 28 auf,
wodurch ein Radgeschwindigkeitsimpuls Sr an die Hybrid-Steuereinrichtung 10 ausgegeben
werden kann.
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Die
Hybrid-Steuereinrichtung 10 ist ein Computersystem zum
Steuern des gesamten Systems und weist beispielsweise eine zentrale
Verarbeitungseinheit (CPU) 101, einen RAM 102 und
einen ROM 103 auf. Die Hybrid-Steuereinrichtung 10 ist
so programmiert, dass sie den Betrieb des gesamten Systems steuert,
und zwar durch: Empfangen eines Beschleunigungselement-Positionssignals
Sa, eines Gangschaltungs-Positionssignals Ss, eines Radgeschwindigkeitssignals
Sr vom Radgeschwindigkeitssensor 28 und anderer Signale
von verschiedenen Sensoren als Eingangssignale; Ermitteln der Menge der
vom Brennstoffzellenstapel 22 erzeugten Leistung und des
Drehmoments im Fahrmotor 25 gemäß dem
Betriebszustand; Berechnen einer Leistungsbilanz im Brenn stoffzellenstapel 22,
im Fahrmotor 25 und in der Hochspannungsbatterie 21;
und Zählen von Verlusten im DC/DC-Wandler 20 und
im Wechselrichter 24. Ebenso kann die Hybrid-Steuereinrichtung 10 aus
einem Eingangsstrom, der vom Stromsensor 15 erfasst wird,
und einer Eingangsspannung, die vom Spannungssensor 16 erfasst
wird, eine Leistung erkennen, die durch die Primärseite
des DC/DC-Wandlers 20 fließt, und sie kann außerdem aus
einem Ausgangsstrom, der vom Stromsensor 17 erfasst wird,
und einer Ausgangsspannung, die vom Spannungssensor 18 erfasst
wird, eine Leistung erkennen, die durch die Sekundärseite
des DC/DC-Wandlers 20 fließt. Die Leistungssteuereinrichtung 10 kann
auch auf Basis der Erfassungssignale von den Stromsensoren 19-1 bis 19-3 einen Strom
erkennen, der durch jede Phase des DC/DC-Wandlers 20 fließt.
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Genauer
entspricht in dieser Ausführungsform die Hybrid-Steuereinrichtung
einer Systemzustands-Erfassungseinheit und einer Verbotseinheit gemäß der
vorliegenden Erfindung, welche die Änderung der Phasenzahl
nicht zulässt.
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Die
Leistungsquellen-Steuereinrichtung 11 ist ein Computersystem
zum Steuern der Leistungsquelle, insbesondere des Wandlers, und
auf ähnliche Weise wie die Hybrid-Steuereinrichtung 10 weist
die Leistungsquellen-Steuereinrichtung 11 eine zentrale Verarbeitungseinheit
(CPU), einen RAM, einen ROM usw. auf, die in der Zeichnung nicht
dargestellt sind. Die Leistungsquellen-Steuereinrichtung 11 kann
die Anzahl der aktiven Phasen durch Ausgeben eines Phasenwechsel-Steuersignals
Cph an den DC/DC-Wandler 20 auf Basis eines Wandler-Steuersignals
Cc, das von der Hybrid-Steuereinrichtung 10 ausgegeben
wird, ändern. Die Leistungsquellen-Steuereinrichtung 11 kann
durch Ausgeben eines Tastverhältnis- bzw. Tastgrad-Steuersignals
Cd an den DC/DC-Wandler auf Basis eines Wandler-Steuersignals Cc
auch den Tastgrad eines Wechselstroms ändern.
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2 ist
ein Aufbauplan einer Lasttreiberschaltung, der eine Phase der Schaltung
des DC/DC-Wandlers 20 herausnimmt.
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Wie
in 2 dargestellt, weist der DC/DC-Wandler 20 (eine
seiner Phasen) Umschaltvorrichtungen Tr1–Tr4, Dioden D1–D4
und eine Drossel bzw. einen Reaktor L auf, und in der Ausgangsseite
der Brennstoffzelle 22 (der Sekundärseite) sind ein
paralleler Schaltkreis der Umschaltvorrichtung Tr1 und der Diode
D1 und ein paralleler Schaltkreis der Umschaltvorrichtung Tr2 und
der Diode D2 seriell geschaltet (in Zweiebenen-Form). Ebenso sind
in der Ausgangsseite der Hochspannungsbatterie 21 (der Primärseite)
ein paralleler Schaltkreis der Umschaltvorrichtung Tr3 und der Diode
D3 und ein paralleler Schaltkreis der Umschaltvorrichtung Tr4 und
der Diode D4 seriell geschaltet (in Zweiebenen-Form).
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Der
oben beschriebene Schaltungsaufbau des DC/DC-Wandlers 20 wird
von einer Kombination aus einem Schaltungsabschnitt mit einer Wechselrichterfunktion
zum vorübergehenden Umwandeln einer Eingangsgleichspannung
in einen Wechselstrom und einem Schaltungsabschnitt zum erneuten Gleichrichten
des resultierenden Wechselstroms und dessen Umwandlung in eine andere
Gleichspannung gebildet.
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Im
DC/DC-Wandler 20 weist die oben beschriebene serielle Schaltung
einen Kontakt in der Ausgangsseite der Brennstoffzelle 21 und
einen weiteren Kontakt in der Ausgangsseite der Batterie 21 auf,
und die beiden Kontakte sind über den Reaktor L elektrisch
verbunden, und der Strom, der durch den Reaktor L fließt,
kann vom Stromsensor 19 gemessen werden.
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In 2 ist
ein (in 1 nicht dargestellter) Wechselrichter 84 für
ein Hochspannungs-Zusatzgerät mit der Eingangsseite des
DC/DC-Wandlers 90 verbunden, und der Wechselrichter 24 für
den Antriebsmotor-Fahrmotor 25 ist mit der Ausgangsseite verbunden.
Verbrauchervorrichtungen, die mit der Primärseite und der
Sekundärseite des DC/DC-Wandlers 90 verbunden
sind, können beliebig ausgewählt werden, aber
es ist zweckmäßig, diese Verbrauchervorrichtungen
gemäß der Primärseitenspannung und der
Sekundärseitenspannung zu bestimmen. Das Verbinden einer
Verbrauchervorrichtung, die eine große Leistungsmenge verbraucht, mit
einer Hochspannungsseite (in dieser Ausführungsform der
Sekundärseite) und das Steuern von Leistung mit hoher Spannung
und niedrigem Strom ist ein effizientes Verfahren.
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3 ist
ein Blockschaltbild, das den Fluss eines Stroms, einer Spannung
und einer Leistung auf Hauptwegen einer Schaltung, die hauptsächlich
aus dem DC/DC-Wandler 20 besteht, erläutert.
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3 zeigt
ein Beispiel für den Fluss einer Leistung und erläutert
den Fall, dass Leistung von der Batterie 21 und von der
Brennstoffzelle 22 zum Fahrmotor geliefert wird. Wie in 3 dargestellt, wird
die Ausgangsleistung von der Hochspannungsbatterie 21 auf
eine Antriebsleistung für den Wechselrichter 84 und
eine Eingangsleistung für den DC/DC-Wandler 20 aufgeteilt,
und vom Wechselrichter 84 wird eine Antriebsleistung (Zusatzgeräteverlust)
an ein Hochspannungs-Zusatzgerät 85 geliefert. Die
Ausgangsleistung Pi des DC/DC-Wandlers 20 wird über
den Fahrmotor-Wechselrichter 24 an den Fahrmotor 25 ausgegeben.
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Während
die Brennstoffzelle 22 den Leistungserzeugungsbetrieb einstellt,
beispielsweise in einem Aussetzbetriebsmodus, wird nur die Leistung von
der Batterie 21 über den DC/DC-Wandler 20 zum Antriebsmotor 24 geliefert.
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Wenn
dagegen die Brennstoffzelle 22 Leistungserzeugungskapazität übrig
hat, wird die Ausgangsleistung von der Brennstoffzelle zum Antriebsmotor-Wechselrichter 24 geliefert,
und außerdem in entgegengesetzter Richtung zu den Pfeilen
in 3 von der Sekundärseite zur Primärseite
des DC/DC-Wandlers 20 geliefert, was dazu führt,
dass die Batterie 21 mit der Leistung minus einem Hochspannungs-Zusatzgeräteverlust
für den Wechselrichter 84 eines Hochspannungs-Zusatzgeräts
geladen wird.
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Ebenso
wird während eines Bremsbetriebs die regenerative Leistung,
die vom Fahrmotor 25 erzeugt wird, auf ähnliche
Weise wie oben geschildert über den Wechselrichter 24 von
der Sekundärseite zur Primärseite des DC/DC-Wandlers
geliefert, was dazu führt, dass die Batterie 21 mit
der Leistung minus einem Hochspannungs-Zusatzgeräteverlust
für den Wechselrichter 84 eines Hochspannungs-Zusatzgeräts
geladen wird.
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(Erklärung der Funktionsweise)
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Die
Hybrid-Steuereinrichtung 10 beinhaltet die Erfassungseinheit
und die Verbotseinheit gemäß der vorliegenden
Erfindung. Die Erfassungseinheit der Hybrid-Steuereinrichtung 10 überwacht
den Systemzustand auf Basis von Informationen, die von den einzelnen
Sensoren eingegeben werden, usw. Zu den Dingen, die überwacht
werden, wie oben angegeben, gehört die Erfassung jedes
Systemzustands, der eine schnelle Änderung des Spannungs-Befehlswerts
für die Brennstoffzelle 22 (siehe 5)
bewirkt, während der vorgenannten Gesamtsteuerung der Leistungsquelle.
Falls ein Systemzustand erfasst wird, der eine schnelle Änderung
des Spannungs-Befehlswerts für die Brennstoffzelle 22 bewirkt,
gibt die Verbotseinheit der Hybrid-Steuereinrichtung 10 ein
Wandler-Steuersignal Cc zum Absetzen eines Flag (eines Dreiphasenantriebs-Flag),
das zulässt, dass der DC/DC-Wandler 20 in einer
einzigen Phase angesteuert wird, aus. Falls dagegen die Beendigung
eines solchen Systemzustands, der eine schnelle Änderung
des Spannungs-Befehlswerts für die Brennstoffzelle 22 bewirkt,
erfasst wird, gibt die Verbotseinheit ein Wandler-Steuersignal Cc
aus, um das Flag (das Einphasenantriebs-Flag), das zulässt, dass
der DC/DC-Wandler 20 in einer einzigen Phase angesteuert
wird, zu setzen.
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4 ist
ein Schema, das Probleme erläutert, die entstehen würden,
wenn die Anzahl der aktiven Phasen nicht wie oben beschrieben gemäß dem Systemzustand
geändert würde und die Zahl der aktiven Phasen
weiter klein bleiben würde, z. B. nur eine einzige Phase. 4(a), 4(b), 4(c) und 4(d) zeigen:
die Beziehung zwischen dem Spannungs-Befehlswert für die
Brennstoffzelle (BZ) 22 und dem Messwert der aktuellen
Ausgangsspannung; die Beziehung zwischen dem Strom von der Brennstoffzelle
(BZ) und dem Reaktorstrom, der durch den Reaktor L des Wandlers
fließt; den Ein/Aus-Zustand des Einzelphasenantriebs-Flag; und
die Beziehung zwischen einer Totzeitkorrektur, die in einem Übergangszeitraum
der Leistungsänderung durchgeführt wird, und dem
Tastgrad, mit dem die Phasenschaltungen P umgeschaltet werden.
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Wenn
der DC/DC-Wandler 20 in einer einzigen Phase angesteuert
wird, würde es zu einer Ansprechverzögerung kommen,
falls das System in einen Zustand übergehen würde,
der eine schnelle Änderung des Systemzustands bewirkt,
d. h. einen Zustand, der eine Änderung eines Ausgangsspannungs-Befehlswert
mit einer bestimmten Änderungsrate oder darüber
hinaus bewirkt, was zu einem großen Unterschied zwischen
dem Spannungs-Befehlswert und dem Messwert der aktuellen Ausgangsspannung
führen würde (4(a)).
Wenn ein solch großer Unterschied beobachtet wird, wird
eine Totzeitkorrektur durchgeführt, und der Tastgrad des
Umschaltimpulses im DC/DC-Wandler 20 ändert sich schnell
(4(d)). Währenddessen ist
das Einzelphasenantriebs-Flag gesetzt, und eine Einzelphasenansteuerung
wird fortgesetzt (4(c)). Wenn der
Tastgrad des Umschaltimpulses sich schnell ändert, steigt
der Reaktorstrom im DC/DC-Wandler 20 scharf an (4(b)). Da der DC/DC-Wandler 20 in
einer einzigen Phase angesteuert wird, konzentriert sich hierbei
der durchfließende Strom in einer V-Phase (scharfer Anstieg
des in 4(b) dargestellten Reaktorstroms).
Ein solch scharfer Anstieg des Reaktorstroms würde zu einer
ungünstigen Bedingung führen, wo Vorrichtungen/Schaltungen
aufgrund von Wärme zerstört werden könnten.
Somit wird in der vorliegenden Erfindung ein Systemzustand, der
einen scharfen Anstieg des Ausgangsspannungs-Befehlswert bewirkt,
der zu einem Überstrom im Wandler führen würde,
wie oben angegeben, im Voraus definiert, und wenn das System in
diesen Zustand übergeht, steuert die Hybrid-Steuereinrichtung 10 das Flag
für die Zulassung einer Einzelphasenansteuerung so, dass
der Betrieb des DC/DC-Wandlers 20 in einer vorgegebenen
oder einer noch kleineren Anzahl von Phasen verhindert wird, in
dieser Ausführungsform eine Einzelphasenansteuerung.
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5 ist
ein erläuterndes Schema, das die Bestimmung bzw. Definition
der Systemzustände zeigt, die eine schnelle Änderung
des Spannungsbefehlswerts für die Brennstoffzelle 22 bewirken.
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5 zeigt „BZ(Brennstoffzellen)-Leistungserzeugungszustand” und „BZ(Brennstoffzellen)-Leistungserzeugungsmodus” als
die Bestimmungsparameter für die Fälle, in denen
eine Einzelphasenansteuerung nicht verboten wird, und zeigt auch
den entsprechenden „Systemzustand”. Falls das
System in den einzelnen Leistungserzeugungszuständen den
angezeigten „Systemzustand” annimmt, wird ein Betrieb
in einer noch kleineren Anzahl von Phasen (in dieser Ausführungsform
in einer einzigen Phase) nicht zugelassen.
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Beispielsweise
beinhaltet dies in einem normalen Betriebsmodus mindestens einen
der folgenden Zustände.
- 1) Der Zustand,
dass gerade eine Startsequenz für das Brennstoffzellensystem
abläuft, oder dass ein bestimmter Zeitraum seit dem Wechseln
aus der Startsequenz in den Normalbetrieb bis zur Stabilisierung
der Betriebsbedingung noch nicht abgelaufen ist, gehört
dazu. Genauer ist mit dem oben genannten Zustand ein bestimmter
Zeitraum ab dem Abschluss der Startsequenz (z. B. einer Systemüberprüfung
und eines Aufwärmbetriebs) und der Senkung der Brennstoffzellen-Spannung als
Reaktion auf die Steuerung des Beschleunigungselements bzw. Gaspedals
gemeint.
- 2) Der Zustand, dass gerade eine Wasserstoff-Verbrauchssteuerung
für die Brennstoffzelle abläuft, gehört
dazu. Genauer ist mit dem oben genannten Zustand ein Zustand gemeint,
wo das System vom Fahrer ausgeschaltet wird, das System abgestellt
wird, die Brennstoffzelle diskontinuierlich oder kontinuierlich
in einen Leistungserzeugungsmodus umgeschaltet wird, um das Brenngas
in den Brenngasleitungen der Brennstoffzelle zu verbrauchen, und
die Ausgangsspannung in eine vorgegebene niedrige Spannung geändert
werden könnte, bei der es sich um eine Leistungserzeugungsspannung
handelt.
- 3) Der Zustand, dass erfasst wird, ob in einem Relais der Brennstoffzelle
irgendeine Verschweißung stattgefunden hat, gehört
dazu. Genauer wird die Spannung auf der Brennstoffzellen-Seite des
Spannungswandlers erhöht und gesenkt, ohne Strom zum Betrieb
des Relais anzulegen, um zu erfassen, dass der Relais-Kontakt sich nicht
von einem AUS-Zustand erholt, obwohl kein Strom zum Betreiben des
Relais fließt, und es wird gemäß dem
erfassten Strom von der Brennstoffzelle untersucht, ob es in dem
Relais zu irgendeiner Verschweißung gekommen ist. Mit dem oben
genannten Zustand ist der Zustand gemeint, wo die Ausgangsspannung
der Brennstoffzelle für diese Untersuchung geändert
wird.
- 4) Der Zustand, in dem eine Strombegrenzung für die
Brennstoffzelle durchgeführt wird, gehört dazu.
Genauer sollte die Stromzufuhr von der Brennstoffzelle vorübergehend
unterbrochen werden, falls eine der Zellenspannungen, die von einem
in der Brennstoffzelle 22 vorgesehenen Zellenmonitor erfasst
wird, auf oder unter eine Bezugsspannung sinkt, und mit dem oben
genannten Zustand ist der Zustand gemeint, dass die Ausgangsspannung
der Brennstoffzelle für diesen Zweck auf eine vorgegebene
hohe Spannung zurückgebracht wird.
- 5) Der Zustand, in dem eine Ausgangsleistung begrenzt wird,
gehört dazu. Genauer ist mit dem oben genannten Zustand
beispielsweise der Zustand gemeint, dass die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle
auf eine vorgegebene hohe Spannung zurückgebracht wird,
wenn ein Fehlersignal aufgrund eines Überstroms oder einer Überwärmung
vom Wechselrichter 24, der Strom zum Fahrmotor 25 liefert,
ausgegeben wird, um so die Stromzufuhr zu dieser Verbrauchervorrichtung vorübergehend
zu unterbrechen. Der oben genannte Zustand beinhaltet auch den Zustand,
wo aufgrund einer angestiegenen Temperatur der Brennstoffzelle 22 oder
aus Gründen im Zusammenhang mit dem Brenngas-Zufuhrsystem
eine Ausgangsleistungsbegrenzung von der Hybrid-Steuereinrichtung 10 befohlen
wird.
- 6) Der Zustand, dass eine Abstellsequenz für das Brennstoffzellensystem
abläuft, gehört dazu. Genauer ist mit dem oben
genannten Zustand der Zustand gemeint, dass das System vom Fahrer ausgeschaltet
wird, keine Ausgangsleistungsforderung an das System ausgegeben
wird und die Ausgangsspannung des Brennstoffsystems auf eine vorgegebene
hohe Spannung zurückgeführt wird, um den Ausgangsstrom
der Brennstoffzelle zu senken.
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Der
Systemzustand, der eine Änderung des Ausgangsspannungs-Befehlswerts
für die Brennstoffzelle in einem bestimmten Umfang oder
darüber hinaus bewirkt, beinhaltet den Zustand, dass das System
sich im Übergang von einem normalen Betriebsmodus in einen
Aussetzbetriebsmodus befindet. Damit ist der Zustand gemeint, wo
die Leistungsversorgung für eine Verbrauchervorrichtung
unterbrochen wird, um das System aus einem Leistungserzeugungszustand
in einen Stopp-/Bereitschaftszustand zu überführen,
und die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle in eine vorgegebene
hohe Spannung geändert wird, um den Leistungserzeugungsstrom
zu senken.
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Der
Systemzustand, der in einem Aussetzbetriebsmodus eine Änderung
des Ausgangsspannungs-Befehlswerts für die Brennstoffzelle
in einem bestimmten Umfang oder darüber hinaus bewirkt,
beinhaltet mindestens einen der folgenden Zustände.
- 1) Der Zustand, dass irgendwo im Brennstoffzellensystem
ein Brenngasleck erfasst wird, gehört dazu. Genauer muss
bei unterbrochener Brennstoffzellen-Leistungserzeugung untersucht
werden, ob Brenngas aus den Brenngasleitungen usw. des Systems austritt
oder nicht, und mit dem oben genannten Zustand ist der Zustand gemeint, dass
die Brennstoffzelle so beeinflusst wird, dass sie schnell eine vorgegebene
hohe Spannung oder eine Hochspannungs-Verhinderungsspannung für
diese Untersuchung aufweist.
- 2) Der Zustand, dass ein Aussetzbetrieb durchgeführt
wird, wo eine Verbrauchervorrichtung nicht in Betrieb ist, gehört
dazu. Genauer muss der Isolierwiderstand bei einer Änderung
der Leistungserzeugungsspannung der Brennstoffzelle überprüft
werden, und daher wird die Leistungserzeugungsspannung für
diesen Zweck geändert.
- 3) Der Zustand, dass ein vorgegebener Zeitraum für
eine Rückführung aus einer Katalysatoraktivierungsbehandlung
für die Brennstoffzelle noch nicht abgelaufen ist, gehört
dazu. Genauer muss bei der Auffrischungsbehandlung die Ausgangsspannung
der Brennstoffzelle auf eine vorgegebene niedrige Spannung gesenkt
werden, welche die Reduktionsreaktion des Katalysators bewirkt.
- 4) Der Zustand, dass ein vorgegebener Zeitraum für
die Rückführung nach Aussetzung der Katalysatoraktivierungsbehandlung
für die Brennstoffzelle noch nicht abgelaufen ist, gehört
dazu. Genauer wird während der Auffrischungsbehandlung die
Ausgangsspannung von der Brennstoffzelle über einen bestimmten
Zeitraum niedrig gehalten, um eine niedrige Spannung aufrechtzuerhalten, wodurch
die Reduktionsreaktion des Katalysators bewirkt wird; wohingegen
die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle in den früheren
Zustand zurückgeführt werden muss, falls es notwendig
wird, die Auffrischungsbehandlung auszusetzen.
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Der
Systemzustand, der eine Änderung des Ausgangsspannungs-Befehlswerts
für die Brennstoffzelle in einem bestimmten Umfang oder
darüber hinaus bewirkt, beinhaltet beispielsweise den Zustand,
in dem das System sich im Übergang von einem Aussetzbetriebsmodus
in einen Normalbetriebsmodus befindet. Genauer muss, wenn eine Ausgangsleistungsforderung
an das System gestellt wird (z. B. wenn das Gaspedal niedergedrückt
wird) und Leistung direkt von der Brennstoffzelle geliefert werden
muss, die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle gesenkt werden, um
die Ausgangsleistung zu erhöhen.
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Der
Systemzustand, der in einem normalen Betriebsmodus oder einem Aussetzbetriebsmodus eine Änderung
des Ausgangsspannungs-Befehlswerts für die Brennstoffzelle
in einem bestimmten Umfang oder darüber hinaus bewirkt,
beinhaltet mindestens einen der folgenden Zustände.
- 1) Der Zustand, dass ein bestimmter Zeitraum
ab einer Zulassung oder einem Verbot eines Hochspannungs-Verhinderungsbetriebs
bis zur Stabilisierung einer Spannungsbedingung noch nicht abgelaufen
ist, gehört dazu. Genauer werden Zulassung und Verbot der
Leistungserzeugung mit der Hochspannungs-Verhinderungsspannung gemäß dem
Systemzustand, dem Leistungserzeugungszustand der Brennstoffzelle,
einem Niedertemperatur-Betriebsmodus, dem Umschalten von Steuerungen
für Temperaturanstiege in einer Leistungsspeichervorrichtung
usw. gesteuert und geschaltet. Die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle ändert
sich nach dem Umschalten von Zulassung und Verbot schnell.
- 2) Der Zustand, dass eine Zielspannung des Hochspannungs-Verhinderungsbetriebs
eine vorgegebene Änderungsrate oder eine höhere Änderungsrate
zeigt, gehört dazu. Genauer ändert sich die Zielspannung
des Hochspannungs-Verhinderungsbetriebs ansprechend auf die Getriebeschaltstellung,
falls das Brennstoffzellensystem als Antriebsquelle für
ein Elektroauto verwendet wird, und demgemäß kann
erwartet werden, dass sich die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle ändert,
wenn irgendein Gangwechsel erfasst wird.
- 3) Der Zustand, dass ein bestimmter Zeitraum ab einer Zulassung
oder einem Verbot einer Leistungszufuhr zu einer Verbrauchervorrichtung
bis zur Stabilisierung einer Leistungsbedingung noch nicht abgelaufen
ist, gehört dazu. Genauer ändert sich die Ausgangsspannung
der Brennstoffzelle, beispielsweise falls ein Fehler, wie eine Überwärmung,
in einem Fahrmotor an sich oder in einem Wechselrichter erfasst
wird, falls das Brennstoffzellensystem beispielsweise als Leistungsquelle für
ein Elektroauto verwendet wird, und der Antriebszulassungszustand
wird geändert.
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Man
beachte, dass die oben beschriebenen Zustände nur Beispiele
für den Systemzustand sind, der eine schnelle Änderung
des Ausgangsspannungs-Befehlswerts bewirkt, und dass der Systemzustand
nicht auf diese Zustände beschränkt ist, sondern
jeden Zustand einschließt, in dem der Strom, der durch
den DC/DC-Wandler fließt, aufgrund der Änderung
der Ausgangsspannung schnell ansteigen könnte.
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Nun
wird mit Bezug auf das Ablaufschema von 6, in dem
der Systemzustands-Überwachungsbetrieb der Hybrid-Steuereinrichtung 10 in Bezug
auf den Spannungs-Befehlswert dargestellt ist, erläutert,
wie die Hybrid-Steuereinrichtung 10 arbeitet, um den Systemzustand
in Bezug auf den Spannungsbefehlswert zu überwachen.
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Zunächst
wird in Schritt S1 überprüft, ob das System einen
Systemzustand annimmt, der eine schnelle Änderung des Spannungs-Befehlswerts
bewirkt (siehe 5), oder nicht. Falls das System
einen Zustand annimmt, der eine schnelle Änderung des Spannungsbefehlswerts
bewirkt (JA), geht der Ablauf zu Schritt S2 weiter, und falls das System
keinen Zustand annimmt, der eine schnelle Änderung des
Spannungsbefehlswerts bewirkt (NEIN), geht der Ablauf zu Schritt
3 weiter.
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In
Schritt S2 gibt die Hybrid-Steuereinrichtung 10 ein Wandler-Steuersignal
Cc an die Leistungsquellen-Steuereinrichtung 11 aus, um
das Flag, das eine Einzelphasenansteuerung zulässt, abzusetzen,
um zu verhindern, dass der DC/DC-Wandler 20 in einer einzigen
Phase angesteuert wird, da das System einen Zustand annimmt, der
eine schnelle Änderung des Ausgangsspannungs-Befehlswerts bewirkt.
Ansprechend auf das Wandler-Steuersignal Cc setzt die Leistungs-Steuereinrichtung 11 das Flag,
das eine Einzelphasenansteuerung zulässt, erneut ab und
verhindert ab diesem Zeitpunkt bis zum Ende, dass der DC/DC-Wandler 20 in
einer einzelnen Phase angesteuert wird.
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Dagegen
gibt die Hybrid-Steuereinrichtung in Schritt S3 ein Wandler-Steuersignal
Cc an die Leistungs-Steuereinrichtung 11 aus, um das Flag,
das eine Einzelphasenansteuerung zulässt, zu setzen, da
das System keinen Zustand annimmt, der eine schnelle Änderung
des Ausgangsspannungs-Befehlswerts bewirkt und somit auch eine Einzelphasenansteuerung
möglich ist. Ansprechend auf das Wandler-Steuersignal Cc
setzt die Leistungsquellen-Steuereinrichtung 11 das Flag,
das eine Einzelphasenansteuerung zulässt. Falls das Einzelphasenansteuerungs-Flag
bis dahin nicht gesetzt war, wird das Verbot einer Einzelphasenansteuerung
durch diese Operation beendet. Ab diesem Zeitpunkt wird zugelassen,
dass der DC/DC-Wandler in einer einzigen Phase angesteuert wird.
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(Andere Modifizierungen)
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform
beschränkt und kann verschiedenen Modifizierungen unterworfen werden.
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Beispielsweise
wird in der oben beschriebenen Ausführungsform ein Systemzustand
erfasst, der eine schnelle Änderung des Ausgangsspannungs-Befehlswerts
für die Brennstoffzelle bewirkt, und eine Änderung
der Phasenzahl wird durch die Steuerung von vornherein nicht zugelassen,
aber die Hybrid-Steuereinrichtung 10 kann auch so gestaltet sein,
dass sie den Ausgangsspannungs-Befehlswert überwacht und
die Leistungsquellen-Steuereinrichtung 11 steuert, um die Änderung
der Phasenzahl nicht zuzulassen, wenn der Ausgangsspannungs-Befehlswerts
einen bestimmten oder einen größeren Änderungsumfang
zeigt.
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Ebenso
weist in der oben beschriebenen Ausführungsform der DC/DC-Wandler 20 eine
Dreiphasenschaltung auf, und eine Änderung einer Dreiphasenansteuerung
in eine Einzelphasenansteuerung wird verhindert, wenn ein vorgegebener
Systemzustand erfasst wird, aber die Erfindung ist nicht darauf
beschränkt. Beispielsweise kann der DC/DC-Wandler zwei
Phasen oder vier oder mehr Phasen aufweisen. Ferner kann die Sollzahl
für das Verbot der Änderung der Phasenzahl größer
als eins sein. Genauer kann die vorliegende Erfindung so angewendet
werden, dass eine Ansteuerung des Wandlers in N Phasen oder weniger
verhindert wird, falls ein vorgegebener Systemzustand erfasst wird, wenn
M bis N + 1 Phasen aktiven sind, wobei M die größte
Anzahl der Phasen ist, die in Betrieb sind, und N die Sollzahl für
die Verhinderung der Änderung der Phasenzahl ist.
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Ebenso
zeigt die oben beschriebene Ausführungsform ein Beispiel,
wo die Steuerung eine Änderung der Phasenzahl nicht zulässt,
falls der Reaktorstrom des DC/DC-Wandlers 20 schnell steigen
könnte, aber die Erfindung ist nicht hierauf beschränkt. Punkte,
wo es einhergehend mit der Verkleinerung der Phasenzahl zu einem Überschwingen
kommen könnte, unterscheiden sich je nach dem Schaltungsaufbau
und der Weise, wie der DC/DC-Wandler gesteuert wird. Demgemäß muss
für Steuerungen, die ausgeführt werden, um eine Änderung
der Phasenzahl zu verhindern, jeder Systemzustand erfasst werden,
der ein Überschwingen in solchen Punkten bewirkt.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Es
wird ein Brennstoffzellensystem geschaffen, das die Anzahl aktiver
Phasen in einem DC/DC-Wandler ändern kann, um zu verhindern, dass
ein Überstrom durch einen Punkt (z. B. einen Reaktor bzw.
eine Drossel des DC/DC-Wandlers) in dem System fließt.
In Schritt S1 wird überprüft, ob das System einen
Zustand annimmt, der eine schnelle Änderung eines Spannungsbefehlswerts
bewirkt, oder nicht. Falls das System einen Zustand annimmt, der
eine schnelle Änderung des Spannungs-Befehlswerts bewirkt,
geht der Ablauf zu Schritt S2 weiter, und falls nicht, geht der
Ablauf zu Schritt S3 weiter. In Schritt S2 wird verhindert, dass
ein DC/DC-Wandler in einer einzigen Phase angesteuert wird, und
der Ablauf endet. In Schritt S3 wird zugelassen, dass der DC/DC-Wandler
in einer einzigen Phase angesteuert wird, und der Ablauf endet.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - JP 2006-33934 [0003, 0005]
- - JP 2003-235252 [0004, 0005]
- - JP 2006-311776 [0005, 0005]