-
Technisches Gebiet der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das mit
einer Brennstoffzelle vorgesehen ist, das eine Mehrzahl von Zellen
aufweist.
-
Stand der Technik
-
Bei
Brennstoffzellen zum Erzeugen von elektrischer Leistung unter Verwendung
einer elektrochemischen Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff
sind Polymerelektrolytbrennstoffzellen allgemein bekannt. Die Polymerelektrolytbrennstoffzelle umfasst
einen Stapel, welcher aus einer Mehrzahl von gestapelten Zellen
besteht. Die Zellen, welche den Stapel ausbilden, umfassen jeweils
eine Anode (Brennstoffelektrode) und eine Kathode (Luftelektrode),
wobei eine Festpolymerelektrolytmembran mit einer Sulfonsäuregruppe
als eine Ionenaustauschgruppe zwischen jeder Anode und Kathode angeordnet
ist.
-
Ein
Brenngas, das ein Brenngas (wasserstoffangereicherter reformierter
Wasserstoff, der durch Reformieren von Wasserstoffgas oder Kohlenwasserstoff
erhalten wird) enthält, wird der Anode zugeführt,
während ein Gas enthaltender Sauerstoff als ein Oxidationsmittel
(Oxidationsgas), z. B. Luft, der Kathode zugeführt wird.
Nach dem Zuführen des Brenngases zu der Anode, reagiert
Wasserstoff, der in dem Brenngas enthalten ist, mit einem Katalysator in
einer Katalysatorschicht, welche die Anode ausbildet, wodurch Wasserstoffionen
erzeugt werden. Die erzeugten Wasserstoffionen passieren durch die Festpolymerelektrolytmembran
und reagieren elektrisch mit Sauerstoff in der Kathode. Somit wird
durch die elektrochemische Reaktion eine elektrische Leistung erzeugt.
-
Hierzu
offenbart das untenstehende Patentdokument 1 eine Technik, in welcher
eine Brennstoffzelle mit einem kurzen Zuführen von zumindest
einem Brenngas, das einer Anode zugeführt wird, und/oder
einem Oxidationsgas, das einer Kathode zugeführt wird,
gestartet wird, so dass eine Überspannung in einem Teil
der Elektroden ansteigt und mehr Hitze bzw. Wärme erzeugt
wird, wodurch die Temperatur der Brennstoffzelle erhöht
wird.
- Patentdokument 1: JP2003-504807 T
-
Offenbarung der Erfindung
-
Durch die Erfindung zu lösendes
Problem
-
Obwohl
eine Zellspannung der Brennstoffzelle auf einen voreingestellten
Schwellwert (zulässiger Wert) vermindert werden muss, wenn
ein schnelles Aufwärmen ausgeführt wird, ist im
Stand der Technik ein Strom nicht begrenzt worden, bevor eine Zellspannung
unter einen zulässigen Wert fällt. Wenn jedoch
eine Strombegrenzung ausgeführt wird, nachdem die Zellspannung
unter einen zulässigen Wert fällt, hat dies zu
dem Problem geführt, dass die Zellspannung aufgrund des
schnellen Abfalls der Zellspannung während des schnellen
Aufwärmens signifikant unter den zulässigen Wert
fällt, was zu einer unbefriedigenden Strombegrenzung führt.
-
Die
vorliegende Erfindung ist im Lichte der obenstehenden Umstände
gemacht worden, wobei es eine Aufgabe der Erfindung ist, ein Brennstoffzellensystem
vorzusehen, dass eine angemessene Strombegrenzung ausführen
kann, selbst wenn eine Zellspannung durch z. B. ein schnelles Aufwärmen vermindert
wird.
-
Mittel zum Lösen
des Problems
-
Um
das obenstehende Problem zu lösen, sieht die vorliegende
ein Brenngassystem bzw. Brennstoffzellensystem vor, mit: einer Brennstoffzelle,
die eine Mehrzahl von Zellen aufweist; einer Erfassungseinheit,
die eine Zellspannung erfasst; einer Einstell einheit, die eine Ziel-Niedrigste-Spannung bzw.
niedrigste Zielspannung für die Zellspannung einstellt;
und einer Steuereinheit, die eine Strombegrenzung für die
Brennstoffzelle ausführt, wenn die erfasste Zellspannung
die Ziel-Niedrigste-Spannung erreicht, in welcher die Einstelleinheit
die Ziel-Niedrigste-Spannung schrittweise aktualisiert, wenn die Beziehung
zwischen der erfassten Zellspannung und der Ziel-Niedrigste-Spannung
eine vorbestimmte Voraussetzung erfüllt.
-
Mit
solch einer Konfiguration wird die Ziel-Niedrigste-Spannung schrittweise
aktualisiert, wenn die Beziehung zwischen der erfassten Zellspannung
und der Ziel-Niedrigste-Spannung eine vorbestimmte Voraussetzung
erfüllt (z. B., wenn die Zellspannung nahe der Ziel-Niedrigste-Spannung kontinuierlich
für eine gegebene Zeitdauer ist, oder wenn die Zellspannung
nicht nahe der Ziel-Niedrigste-Spannung ist, sondern kontinuierlich
für eine gegebene Zeitdauer höher als die Ziel-Niedrigste-Spannung
ist). Der Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert, der wie obenstehend
aktualisiert wird, wird verwendet, wenn eine Strombegrenzung ausgeführt
wird, wodurch ein Problem verhindert werden kann, derart dass: die
Zellspannung und die Ziel-Niedrigste-Spannung sich stark voneinander
unterscheiden; wodurch die Zellspannung nicht mehr zu kontrollieren
ist, was dazu führt, dass die Zellspannung signifikant
unter die Ziel-Niedrigste-Spannung fällt.
-
In
der obenstehenden Konfiguration ist es bevorzugt, dass die Einstelleinheit
die Ziel-Niedrigste-Spannung bzw. niedrigste Zielspannung für
die Zellspannung auf einen Wert höher als einen niedrigsten
zulässigen Wert für die Zellspannung einstellt.
-
Ferner
ist in der obenstehenden Konfiguration bevorzugt, dass wenn die
erfasste Zellspannung in einen Schwellwertbereich der Ziel-Niedrigste-Spannung
fällt, und dieser Zustand für eine vorbestimmte
Zeitdauer oder länger andauert, die Einstelleinheit die
Ziel-Niedrigste-Spannung von dem gegenwärtigen Moment an
vermindert.
-
Ferner
ist in der obenstehenden Konfiguration bevorzugt, dass wenn die
erfasste Zellspannung eine vorbestimmte Anzahl oder öfter
in einen Schwellwertbereich der Ziel-Niedrigste-Spannung fällt,
die Einstelleinheit die Ziel-Niedrigste-Spannung vermindert.
-
Ferner
ist in der obenstehenden Konfiguration bevorzugt, dass wenn die
erfasste Zellspannung einen Wert, der durch Hinzufügen
einer Aktualisierungsgrenze zu der Ziel-Niedrigste-Spannung erhalten
wird, überschreitet, und dieser Zustand für eine vorbestimmte
Zeitdauer oder länger andauert, die Einstelleinheit die
Ziel-Niedrigste-Spannung von dem gegenwärtigen Moment an
erhöht.
-
Ferner
ist in der obenstehenden Konfiguration bevorzugt, dass wenn die
erfasste Zellspannung eine vorbestimme Anzahl oder öfters
einen Wert überschreitet, der durch Hinzufügen
einer Aktualisierungsgrenze zu der Ziel-Niedrigste-Spannung erhalten
wird, die Einstelleinheit die Ziel-Niedrigste-Spannung erhöht.
-
Ferner
ist in der obenstehenden Konfiguration bevorzugt, dass ferner eine
Zulässiger-Wert-Einstelleinheit bzw. eine Einstelleinheit
für einen zulässigen Wert, die den niedrigsten
zulässigen Wert für die Zellspannung basierend
auf einem Betriebszustand der Brennstoffzelle einstellt, vorgesehen
ist.
-
Ferner
ist in der obenstehenden Konfiguration bevorzugt, dass der Betriebszustand
der Brennstoffzelle eine entsprechende Temperatur der Brennstoffzelle,
einen Ausgangsstrom der Brennstoffzelle, und/oder einen Zuführzustand
eines Reaktionsgases bezüglich der Brennstoffzelle anzeigt.
-
Die
vorliegende Erfindung sieht ein weiteres Brennstoffzellensystem
vor, mit: einer Brennstoffzelle, die eine Mehrzahl von Zellen aufweist;
einer Erfassungseinheit, die eine Zellspannung erfasst; einer Einstelleinheit,
die eine Ziel-Niedrigste-Spannung bzw. niedrigste Zielspannung für
die Zellspannung einstellt; und einer Steuereinheit, die eine Strombegrenzung
für die Brennstoffzelle ausführt, wenn die erfasste
Zellspannung die Ziel-Niedrigste-Spannung erreicht, in welcher die
Einstelleinheit die Ziel-Niedrigste-Spannung von dem gegenwärtigen
Moment an mit einer tatsächlichen Zellspannung, die durch
die Erfassungseinheit erfasst wird, aktualisiert, wenn ein Be fehlswert
für einen Ausgangsstrom bezüglich der Brennstoffzelle
auf einen unteren Grenzwert des Ausgangsstroms für eine
vorbestimmte Zeitdauer oder länger eingestellt wird, während
die Steuereinheit die Strombegrenzung ausführt.
-
Auswirkung der Erfindung
-
Gemäß der
vorliegenden Erfindung kann eine angemessene Strombegrenzung ausgeführt werden,
selbst wenn ein schneller Abfall einer Zellspannung, oder dergleichen
auftritt.
-
Beste Art und Weise zum Ausführen
der Erfindung
-
A. Ausführungsform
-
1 stellt
die Konfiguration eines Fahrzeugs, das mit einem Brennstoffzellensystem 10 ausgestattet
ist, gemäß einer Ausführungsform schematisch
dar. Obwohl die nachfolgende Beschreibung von einem Brennstoffzellenhybridfahrzeug
(engl.: fuel cell hybrid vehicle, FCHV) als ein Bespiel für Fahrzeuge
ausgeht, kann das Brennstoffzellensystem auch in elektrischen Fahrzeugen
und Hybridfahrzeugen angewandt werden. Zudem kann das Brennstoffzellensystem
nicht nur in den Fahrzeugen Anwendung finden, sondern auch in verschiedenen
mobilen Vorrichtungen (z. B. Schiffen, Flugzeugen und Robotern),
stationären Leistungsquellen und mobilen Brennstoffzellensystemen.
-
In 1 enthält
das Brennstoffzellensystem 10: Ein Brenngaszuführsystem 4 zum
Zuführen eines Wasserstoff enthaltenden Brenngases zu einer Brennstoffzelle 20;
ein Oxidationsgaszuführsystem 7, zum Zuführen
eines Luft enthaltenden Oxidationsgases zur Brennstoffzelle 20;
ein Kühlmittelzuführsystem 3, zum Kühlen
der Brennstoffzelle 20; und ein Leistungssystem 9,
zum Laden und Entladen von Leistung, die durch die Brennstoffzelle 20 erzeugt wird.
-
Die
Brennstoffzelle 20 enthält eine Membranelektrodenanordnung
(MEA) 24, welche durch Ausbilden einer Anode 22 und
einer Kathode 23 durch beispielsweise einen Siebdruck auf
entsprechenden Seiten einer Polymerelektrolytmembran 21, die
aus einer protonenleitenden Ionenaustauschmembran ausgebildet ist,
die zum Beispiel aus einem Fluorharz besteht, bereitgestellt worden
ist. Beide Seiten der Membranelektrodenanordnung 24 sind durch
Separatoren (nicht dargestellt) sandwichartig aufgenommen, welche
beide mit Durchflusswegen für das Brenngas, das Oxidationsgas
und das Kühlmittel aufweisen, wobei ein ausgenommener bzw. eingekerbter
Anodengaskanal 25 und ein eingekerbter Kathodengaskanal 26 entsprechend
zwischen dem Separator und der Anode 22, sowie zwischen dem
Separator und der Kathode 23 ausgebildet sind. Die Anode 22 ist
mit einer Brennstoffelektrodenkatalysatorschicht auf einer porösen
Trägerschicht vorgesehen, während die Kathode 23 mit
einer Luftelektrodenkatalysatorschicht auf einer porösen
Trägerschicht vorgesehen ist. Die Katalysatorschichten
dieser Elektroden sind zum Beispiel mit Platinpartikeln behaftet.
-
Die
Oxidationsreaktion, die untenstehend als Formel (1) dargestellt
ist, tritt an einer Anode 22 auf, und die Reduktionsreaktion,
die untenstehend als Formel (2) dargestellt ist, an einer Kathode 23.
Die elektromotorische Reaktion, die untenstehend als Formel (3)
dargestellt ist, tritt in der gesamten Brennstoffzelle 20 auf. H2 → 2H+ + 2e– (1) (1/2)O2 + 2H+ +
2e– → H2O (2) H2 + (1/2)O2 → H2O (3)
-
Dabei
ist zu beachten, dass obwohl eine Struktur einer Einheitszelle einschließlich
der Membranelektrodenanordnung 24, dem Anodengaskanal 25 und
dem Kathodengaskanal 26 in 1 zu Veranschaulichungszwecken
schematisch dargestellt ist, umfasst die Brennstoffzelle eigentlich
eine Stapelstruktur mit einer Mehrzahl von Einheitszellen (Zellgruppe),
welche über die obenstehend beschriebenen Separatoren in
Serie miteinander verbunden sind.
-
Das
Kühlmittelzuführsystem 3 des Brennstoffzellensystems 10 ist
mit einem Kühlmittelweg 31 zum Zirkulieren des
Kühlmittels, einem Temperatursensor 32 zum Erfassen
der Temperatur des Kühlmittels, das von der Bennstoffzelle 20 ausgelassen
wird, einem Radiator (Wärmetauscher) 33 zum Abstrahlen der
Wärme des Kühlmittels an die Umgebung, einem Ventil 34 zum
Einstellen eines Betrags bzw. einer Menge des Kühlmittels,
das in den Radiator 10 einzuführen ist, einem
Kühlmittelpumpe 35 zum Druckbeaufschlagen und
Zirkulieren des Kühlmittels, einen Temperatursensor 36 zum
Erfassen der Temperatur des Kühlmittels, das der Brennstoffzelle 20 zuzuführen
ist, und dergleichen.
-
In
dem Brenngaszuführsystem 4 des Brennstoffzellensystems 10 sind
angeordnet: eine Brenngaszuführvorrichtung 42 zum
Speichern eines Brenngases (Anodengas), z. B. Wasserstoffgas; ein Brenngasdurchflussweg 40 zum
Zuführen des Brenngases von der Brenngaszuführvorrichtung 42 an
den Anodengaskanal 25; und ein Zirkulationsdurchflussweg
(Zirkulationsweg) 51 zum Zirkulieren eines Brenn-Abgases,
das von dem Anodengaskanal 25 an den Brenngasdurchflussweg 40 abgelassen wird,
wobei diese Gasdurchflusswege das Brenngaszirkulationssystem ausbilden.
-
Die
Brenngaszuführvorrichtung 42 besteht zum Beispiel
aus einem Hochdruckwasserstofftank, einer Wasserstoff absorbierenden
Legierung und einem Reformer. Der Brenngasdurchflussweg 40 ist vorgesehen
mit: einem Abschaltventil (Hauptventil) 43 zum Steuern
des Brenngasausflusses von der Brenngaszuführvorrichtung 42;
einem Drucksensor 44 zum Erfassen des Druckes des Brenngases;
einem Regelventil (Ejektor) 45, zum Regeln des Brenngasdruckes
des Zirkulationsweges 51; und einem Abschaltventil 46 zum
Steuern der Brenngaszuführung zu der Brennstoffzelle 20.
-
Der
Zirkulationsdurchflussweg 51 ist vorgesehen mit: einem
Abschaltventil 52 zum Steuern der Brenn-Abgaszuführung
von der Brennstoffzelle 20 zum Zirkulationsweg 51;
einem Gas-Flüssigkeit-Separator 53 und einem Auslassventil 54 zum
Entfernen bzw. Auslassen von Wasser, das in dem Brenn-Abgas enthalten
ist; einer Wasserstoffpumpe (Zirkulationspumpe) 55 zum
Verdichten des Brenn-Abgases, welches während des Passierens durch
den Anodengaskanal 25 an Druck verloren hat, um den Gasdruck auf
einen passenden Druck anzuheben und das Brenn-Abgas an den Brenngasdurchflussweg 40 zurückzuführen;
und einem Prüfventil 56 zum Verhindern, dass das
Brenngas in dem Brenngasdurchflussweg 40 in den Zirkulationsdurchflussweg 51 zurückfließt.
Durch Ansteuern der Wasserstoffpumpe 55 mit einem Motor
wird das Brenn-Abgas, das vom Antrieb der Wasserstoffpumpe 55 kommt,
im Brenngasdurchflussweg 40 mit dem Brenngas verbunden
bzw. vermischt, das von der Brenngaszuführvorrichtung 42 zugeführt
wird, und anschließend an die Brennstoffzelle 20 weitergeleitet und
wiederverwendet. Dabei ist zu beachten, dass die Wasserstoffpumpe 55 vorgesehen
ist mit: einem Drehzahlsensor 57 zum Erfassen der Drehzahl
der Wasserstoffpumpe 55; und Drucksensoren 58 und 59 zum
Erfassen der Drücke im Zirkulationsweg, vor und nach der
Wasserstoffpumpe 55.
-
Außerdem
ist in dem Zirkulationsdurchflussweg 51 ein Abgasdurchflussweg 61 zum
Ablassen des Brenn-Abgases, welches von der Brennstoffzelle 20 von
einem Fahrzeug nach außen abgelassen worden ist, über
einen Verdünner (z. B., eine Wasserstoffkonzentrationsverringerungsvorrichtung) 62,
auf solch eine Weise vorgesehen, dass der Ablassdurchflussweg 61 von
dem Zirkulationsdurchflussweg 51 abzweigt. Der Ablassdurchflussweg 61 ist
mit einem Spülventil 63 vorgesehen und konfiguriert,
den Ablass des Brenn-Abgases zu steuern. Durch Öffnen oder
Schließen des Spülventils 63, um die
Zirkulation in der Brennstoffzelle 20 zu wiederholen, kann
der Abgasdurchflussweg 61 das Brenn-Abgas, in welchem die
Konzentration von Unreinheiten erhöht worden ist, nach
außen ablassen, und frisches Brenngas einführen,
wodurch verhindert wird, dass die Zellspannung abfällt.
Zudem kann der Abgasdurchflussweg 61 über den
Innendruck des Zirkulationsdurchflussweges 51 einen Impuls
erzeugen, und Wasser, welches sich im Gasdurchflussweg angesammelt
hat, entfernen bzw. auslassen.
-
Hierbei
sind in dem Oxidationsgaszuführsystem 7 des Brennstoffzellensystems 10 ein
Oxidationsgasdurchflussweg 71 zum Zuführen eines
Oxidationsgases (Kathodengas) zu dem Kathodengaskanal 26 und
ein Kathodenabgasdurchflussweg 72 zum Ablassen des Kathodenabgases,
das von dem Kathodengaskanal 26 abgelassen wird, angeordnet. Der
Oxidationsgasdurchflussweg 71 ist vorgesehen mit: einem
Luftreiniger 74 zum Einführen von Luft aus der
Umgebung; und einem Luftkompressor 75 zum Ver dichten der
eingeführten Luft und Weiterleiten der verdichteten Luft
an den Kathodengaskanal 26 als ein Oxidationsgas. Der Luftkompressor 75 ist
mit einem Drucksensor 73 zum Erfassen des Luftzuführdrucks
des Luftkompressors 75 vorgesehen. Ein Befeuchter 76 zum
Durchführen eines Feuchtigkeitsaustausches ist zwischen
dem Oxidationsgasdurchflussweg 71 und dem Kathodenabgasdurchflussweg 72 vorgesehen.
Der Kathodenabgasdurchflussweg 73 ist mit einem Druckregelventil 77 zum
Regeln des Ablassdruckes des Kathodenabgasdurchflussweges 72,
einem Gas-Flüssigkeit-Separator 64 zum Entfernen
von Wasser, dass in dem Kathodenabgas enthalten ist, und einem Schalldämpfer 65 zum
Absorbieren von Ablass- bzw. Abgasgeräuschen des Kathodenabgases,
vorgesehen. Das Kathodenabgas, das von dem Gas-Flüssigkeit-Separator 64 abgelassen wird,
wird verzweigt, und ein Teil des abgezweigten Kathodenabgases fließt
in den Verdünner 62 und wird mit dem Brenn-Abgas,
das in dem Verdünner 62 gehalten wird, um verdünnt
zu werden, vermischt, während der andere Teil des abgezweigten
Kathodenabgases durch den Schalldämpfer 65 adsorbiert wird,
mit dem Gas vermischt wird, welches durch den Verdünner 62 gemischt
und verdünnt wird, und anschließend vom Fahrzeug
nach außen abgelassen wird.
-
Das
Leistungssystem 9 im Brennstoffzellensystem 10 ist
verbunden mit: einem DC-DC-Wandler 90, mit welchem ein
Ausgangsanschluss einer Batterie 91 an einer Primärseite
verbunden ist, und ein Ausgangsanschluss der Brennstoffzelle 20 an
einer Sekundärseite; der Batterie 91 als eine
Sekundärbatterie zum Speichern von Überschussleistung;
einem Batteriecomputer 92 zum Aufzeichnen des Ladezustands
der Batterie 91; einem Inverter 93 zum Zuführen
bzw. Einspeisen einer AC-Leistung an einen Fahrzeugsantriebsmotor 94,
welcher als Last oder Vorgabe, die durch die Brennstoffzelle 20 anzutreiben
ist, dient; und einem Inverter 95 zum Zuführen
einer AC-Leistung an verschiedene Hochspannungshilfsgeräte 96 im
Brennstoffzellensystem 10; einem Spannungssensor 97 zum
Messen einer Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 20; und
einem Stromsensor 98 zum Messen eines Ausgangsstroms.
-
Zudem
ist die Brennstoffzelle 20 mit einem Zellmonitor 101 zum
Erfassen einer Spannung in jeder Zelle der Brennstoffzelle 20 verbunden.
Der Zellmonitor (Erfassungseinheit) 101 ist konfiguriert,
die Zellspannung von jeder Zelle zu erfassen, und ferner die niedrigste
Zellspannung zu erfassen, welche die Zellspannung ist, die den niedrigsten
Wert der Zellspannungen aufweist.
-
Der
DC-DC-Konverter 90 führt eine Spannungsumwandlung
bezüglich der Überschussleistung der Brennstoffzelle 20 oder
einer Regenerationsleistung, die aus einem Bremsbetrieb des Fahrzeugsantriebsmotors 94 resultiert,
durch, und führt die Leistung der Batterie 91 zum
Laden der Batterie 91 zu. Um das Verringern der Leistung,
die durch die Brennstoffzelle 20 erzeugt wird, bezüglich
der Leistung, welche der Fahrzeugantriebsmotor 94 benötigt, zu
kompensieren, führt der DC-DC-Wandler 90 auch eine
Spannungswandlung bezüglich einer Ausgangsleistung von
der Batterie 91 durch, und gibt die Leistung an die Sekundärseite
aus.
-
Die
Inverter 93 und 95 wandeln einen Gleichstrom in
einen Dreiphasen-Wechselstrom um, und geben den gewandelten Strom
entsprechend an den Fahrzeugantriebsmotors 94 und die Hochspannungshilfsgeräte 96 aus.
Der Fahrzeugantriebsmotor 94 ist mit einem Drehzahlsensor 99 zum
Erfassen der Drehzahl des Motors 94 vorgesehen. Der Motor 94 ist mechanisch
mit den Rädern 100 über ein Differential verbunden,
so dass das Drehmoment des Motors 94 in eine Antriebsleistung
für das Fahrzeug gewandelt werden kann.
-
Der
Spannungssensor 97 und der Stromsensor 98 werden
zum Messen einer AC-Impedanz basierend auf der Phase und Amplitude
eines Stroms entsprechend der Spannung eines AC-Signals, das in
das Leistungssystem 9 eingebracht bzw. aufgeschaltet bzw. überlagert
ist, verwendet. Der Zustand (Wassergehalt, Leistungserzeugungszustand;
etc.) der Brennstoffzelle 20 kann anhand des Messergebnisses
der AC-Impedanz entnommen werden.
-
Das
Brennstoffzellensystem 10 ist ferner mit einer Steuerung 80 zum
Steuern der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 12 vorgesehen.
Die Steuerung 80 besteht aus einem Universalcomputer, der zum
Beispiel eine CPU (Central Processing Unit), ein RAM, ein ROM und
eine Schnittstellenschaltung enthält. Die Steuerung 80 ist
konfiguriert, um: Sensorsignale von den Temperatursensoren 32 und 36,
den Drucksensoren 44, 58 und 59 und den
Drehzahlsensoren 57 und 99, sowie Signale von
dem Spannungssensor 97, dem Stromsensor 98 und
einem Zündschalter 82 zu erlangen; die Drehzahlen
der Wasserstoffpumpe 55 und des Luftkompressors 75 durch Antreiben
der entsprechenden Motoren gemäß dem Zustand des
Batteriebetriebs, z. B. Leistungslast, einzustellen; und verschiedene
Ventile zu öffnen bzw. zu schließen oder die Öffnungsgrade
bzw. -winkel der Ventile einzustellen. In dieser Ausführungsform sind
die Temperatursensoren 32 und 36 als Beispiele der
Sensoren zum Messen der Temperatur des Kühlmittels in der
Brennstoffzelle 20 gegeben, können jedoch auf
Temperaturen bezüglich der Brennstoffzelle 20 (hiernach
zusammenfassend als stapelbezogene Temperatur bezeichnet), wie zum
Beispiel eine Außenlufttemperatur in der Umgebung der Brennstoffzelle
und eine Komponententemperatur, erfassen.
-
Beim
Steuern der Ausgangsleistung des Brennstoffzellensystems 10,
zum Beispiel bei einem schnellen Aufwärmen, berechnet die
Steuerung 80 eine Fahrzeugsystem-Anforderungsleistung (System-Anforderungsleistung,
die durch das System angefordert bzw. benötigt wird) Preq,
basierend auf einer Verlustleistung eines Fahrzeughilfsgeräts,
einem Ladebetrag bzw. einer Lademenge der Batterie und einer Leistungsgrenzenrate
des Hochspannungshilfsgeräts 96, und berechnet
einen Fahrzeugsystem-Anforderungsstrom Ireq durch Teilen der System-Anforderungsleistung
Preq durch eine Sekundärspannungsausgabe vom DC-DC-Wandler 90.
Zu diesem Zeitpunkt führt die Steuerung 80 den
Strombegrenzungsprozess basierend auf der niedrigsten Zellspannung,
die durch das Zellkontrollgerät 101 erfasst wird,
durch.
-
In
dieser Ausführungsform wird ein Niedrigeffizienzbetrieb
gestartet (Einschalten von einem Startvorbereitungszustand in einen
Niedrigeffizienzbetriebszustand), wenn bestimmt wird, dass die stapelbezogene
Temperatur unter eine vorbestimmte Temperatur (z. B. 0°C)
in den Zustand fällt, in dem der Betrieb des Fahrzeugs
gestoppt wird (d. h., in einen Startvorbereitungsschritt vor dem
Fahren des Fahrzeugs; hiernach als Startvorbereitungszustand bezeichnet),
wodurch ein schnelles Aufwärmen der Brennstoffzelle 20 ausgeführt
wird.
-
Hierbei
bezieht sich der Niedrigeffizienzbetrieb auf einen Betrieb mit einer
niedrigen Leistungserzeugungseffizienz, welche durch Reduzieren
der Luftzufuhr, im Vergleich zu einem Normalbetrieb (z. B., Einstellen
eines stöchiometrischen Luftverhältnisses auf
ca. 1,0) erreicht wird, um einen Leistungserzeugungsverlust zu steigern.
Wenn der Niedrigeffizienzbetrieb mit einem niedrig eingestellten
stöchiometrischen Verhältnis ausgeführt
wird, wird die Konzentrationsüberspannung im Vergleich
zum Normalbetrieb groß. Dadurch tritt ein Anstieg eines
Wärmeverlusts bzw. einer Wärmeumwandlung (Leistungserzeugungsverlust)
einer Energie auf, welche durch eine Reaktion zwischen Wasserstoff
und Sauerstoff erhalten werden kann.
-
Das
obenstehend beschriebene schnelle Aufwärmen während
des Niedrigeffizienzbetriebs wird nicht nur vor dem Fahren des Fahrzeugs
ausgeführt (der Startvorbereitungszustand zum Niedrigeffizienzbetriebszustand),
sondern auch z. B. während eines Fahrens des Fahrzeugs
oder wenn das Fahrzeug gestoppt wird (dem Normalbetriebszustand zum
Niedrigeffizienzbetriebszustand). Auch das stöchiometrische
Luftverhältnis (d. h., Überschussverhältnis)
während des Niedrigeffizienzbetriebs soll nicht auf ca.
1,0 begrenzt sein, sondern kann beliebig eingestellt bzw. verändert
werden, falls das Verhältnis im Vergleich zum Normalbetrieb
klein ist.
-
2 zeigt
ein Funktionsblockdiagramm, welches durch eine Steuerung 80 realisiert
wird, die ein vorbestimmtes bzw. voreingestelltes Computerprogramm
ausführt.
-
Wie
in 2 dargestellt, enthält die Steuerung 80 ein
Schnelles-Aufwärmen-Bestimmungsteil 80a, ein Anforderungsleistung-Berechnungsteil 80b, ein
Zulässige-Zellspannungswert-Einstellteil 80c,
ein Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil 80d und ein Strom/SpannungsbefehlswertBerechnungsteil 80e.
-
Das
Schnelle-Aufwärmen-Bestimmungsteil 80a bestimmt
den Start/Stopp einer Ausführung eines schnellen Aufwärmens
basierend auf der stapelbezüglichen Temperatur, die durch
die Temperatursensoren 32 und 35 erfasst wird.
Genauer gesagt, wenn das Schnelle-Aufwärmen-Bestimmungsteil 80a erfasst,
dass die stapelbezügliche Temperatur in einem Startvorbereitungszustand
unter einer ersten Schwellwerttemperatur (z. B. 0°C) liegt,
bestimmt das Schnelle-Aufwärmen-Bestimmungsteil 80a,
dass das Ausführen des schnellen Aufwärmens gestartet werden
sollte, und gibt anschließend Schnelles-Aufwärmen-Startbefehle
an das Zulässige-Zellspannungswert-Einstellteil 80c,
das Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil 80d und das Strom/Spannungsbefehlswert-Berechnungsteil 80e aus.
Wenn hierbei das Schnelle-Aufwärmen-Bestimmungsteil 80a erfasst,
dass die stapelbezügliche Temperatur gleich oder höher
als eine zweite Schwellwerttemperatur ist (z. B. 0 bis 80°C),
oder dass eine vorbestimmte Zeitdauer seit dem Start des schnellen
Aufwärmens vergangen ist, gibt das Schnelle-Aufwärmen-Bestimmungsteil 80a einen
Schnelles-Aufwärmen-Auführungsstoppbefehl an das
Strom/Spannungsbefehlswert-Berechnungsteil 80e aus.
-
Das
Anforderungsleistung-Berechnungsteil 80b berechnet eine
Systemanforderungsleistung (hier: Anforderungsleistung für
die Brennstoffzelle 12) basierend auf einer Verlustleistung
eines Fahrzeughilfsgeräts, eines Ladebetrags der Batterie,
einer Leistungsgrenzrate des Hochspannungshilfsgeräts 96,
etc., und gibt die berechnete Anforderungsleistung an das Strom/Spannungsbefehlswert-Berechnungsteil 80e aus.
-
Das
Zulässige-Zellspannungswert-Einstellteil (Zulässiger-Wert-Einstelleinheit) 80c weist
eine Funktion zum Einstellen eines Zulässigen-Niedrigste-Zellspannung-Wertes
basierend auf dem Betriebszustand der Brennstoffzelle 20 auf.
Der Zulässige-Niedrigste-Zellspannung-Wert stellt eine
Spannung dar, welche für den Schutz der Brennstoffzelle als
eine Zellspannung während einer niedrigen Temperatur zulässig
ist (niedrigster zulässiger Wert der Zellspannung), und
wird z. B. durch ein Umkehrpotential während einer Wasserstoffgasverminderung um
einen Reduzierungsbetrag des Kathodenpotentials aufgrund eines Widerstandswertes
berechnet. Der Zulässige-Niedrigste-Zellspannung-Wert wird experimentell
erhalten, wobei ein Zulässiger-Wert-Kennfeld zum Bestimmen
des Zulässigen-Niedrigste-Zellspannung-Wertes basierend
auf den Ergebnissen des Experiments erstellt wird. Verschiedene
Zulässige-Niedrigste-Zellspannung-Werte werden gemäß dem
Betriebszustand der Brennstoffzelle 20 aufgezeichnet, genauer
gesagt, die stapelbezügliche Temperatur, ein Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 20,
der Zuführzustand des Brenngases zur Brennstoffzelle 20 (Normal-
oder Abnormalzuführzustand des Brenngases), etc.
-
Der
Zulässige-Zellspannungswert-Einstellteil 80c erkennt
den Betriebszustand der Brennstoffzelle 20 anhand der stapelbezüglichen
Temperatur, die durch die Temperatursensoren 32 und 35 erfasst wird,
des Ausgangsstroms der Brennstoffzelle 20, welche durch
den Stromsensor 98 erfasst wird, einer Brenngasdurchflussrate
pro Zeiteinheit, welche durch den Drucksensor, einen Durchflussmesser (nicht
dargestellt) erfasst wird, etc., und bezieht sich auf das Zulässige-Wert-Kennfeld,
um den Zulässigen-Niedrigste-Zellspannung-Wert gemäß des
Betriebszustandes einzustellen. Das Zulässige-Zellspannungswert-Einstellteil 80c benachrichtigt
anschließend das Ziel-Zellenspannungswert-Einstellteil 80d über
den Zulässigen-Niedrigste-Zellspannung-Wert.
-
Das
Ziel-Zellenspannungswert-Einstellteil (Einstelleinheit) 80d weist
eine Funktion zum schrittweisen Einstellen eines Zielwertes für
die niedrigste Zellspannung auf (Ziel-Niedrigste-Spannung), eine Funktion
zum Aktualisieren eines Zielwertes für die niedrigste Zellspannung
(hiernach als Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert bezeichnet), wenn
eine erfasste Zellspannung einen vorbestimmten Zustand bzw. eine
vorbestimmte Voraussetzung bezüglich des Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wertes
erfüllt, und eine Funktion zum Ausgeben des aktualisierten
Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wertes an das Strom/Spannungsbefehlswert-Einstellteil 80e,
auf. Der aktualisierte Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert ist immer auf
einen Wert gleich oder höher als der Zulässige-Niedrigste-Zellspannung-Wert
eingestellt. Der Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert wird hier nicht weiter
beschrieben, da Betriebe bzw. Prozesse bezüglich des Einstellens
und Aktualisierens des Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert nachfolgend
im Detail beschrieben werden.
-
Das
Strom/Spannungsbefehlswert-Einstellteil 80e gibt einen
Strombefehlswert und einen Spannungsbefehlswert an den DC-DC-Wandler 90 basierend
auf der Anforderungsleistungsausgabe von dem Anforderungsleistungsberechnungsteil 80b und
der Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Werteausgabe von dem Zulässige-Zellspannungswert-Einstellteil 80c und
dem Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil 80d aus. Der Strombefehlswert
und Spannungsbefehlswert dienen als Steuersignale zum Spezifizieren
eines tatsächlichen Ausgangsstroms und einer Ausgangsspannung
in der Brennstoffzelle 20. Außerdem führt das
Strom/Spannungsbefehlswert-Einstellteil (Steuereinheit) 80e eine
Strombegrenzung unter Verwendung einer PI-Steuerung bezüglich
des Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wertes aus, wenn die erfasste Zellspannung
(niedrigste Zellspannung) den Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert
erreicht.
-
3 zeigt
ein Zeitdiagramm, das Betriebe in konventionellen Strombegrenzungsprozessen
erläutert. 4 zeigt ein Zeitdiagramm, das
Betriebe in einem Strombegrenzungsprozess in dieser Ausführungsform
erläutert. In den 3 und 4 zeigen die
Vertikalachsen eine Zellspannung der Brennstoffzelle 20,
einen Ausgangsstrom (Fahrzeugsystem-Anforderungsstrom 10)
und eine Ausgangsspannung, und die Horizontalachse eine vergangene Zeit.
-
Wie
in 3 dargestellt, ist in den konventionellen bzw.
herkömmlichen Strombegrenzungsprozessen nur ein Zulässiger-Niedrigste-Zellspannung-Wert
Vph eingestellt worden, während ein Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert
nicht eingestellt worden ist. Daher ist keine Strombegrenzung ausgeführt
worden, bevor die niedrigste Zellspannung den Zulässigen-Niedrigste-Zellspannung-Wert
nach dem Start eines schnellen Aufwärmens in dem Niedrigeffizienzbetrieb
erreicht. Allerdings hat das Ausführen einer Strombegrenzung
nach dem Erreichen des Zulässigen-Niedrigste-Zellspannung-Wertes
zu einem Problem geführt, dass die Zellspannungen aufgrund eines
schnellen Abfalls der Zellspannung während des Niedrigeffizienzbetriebs
signifikant unter den Zulässigen-Niedrigste-Zellspannung-Wert
abfallen (siehe α dargestellt in 3).
-
Im
Lichte des Obenstehenden wird in dieser Ausführungsform
ein Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert Vth gleich oder höher
als der zulässige Niedrigste-Zellspannung-Wert Vph eingestellt,
während der Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert Vth schrittweise
aktualisiert wird, und eine Strombegrenzung unter Verwendung des
aktualisierten Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wertes Vth wie in 4 dargestellt
ausgeführt wird. Genauer gesagt wird eine Strombegrenzung über
eine PI-Steuerung bezüglich des aktualisierten Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wertes
Vth ausgeführt, wodurch das Problem verhindert wird, dass
eine Zellspannung signifikant unter den Zulässigen-Niedrigste-Zellspannung-Wert
fällt.
-
Der
Strombegrenzungsprozess in dieser Ausführungsform wird
untenstehend bezüglich 4 im Detail
beschrieben.
-
Wenn
das Schnelle-Aufwärmen-Bestimmungsteil 80a erfasst,
dass die stapelbezügliche Temperatur unter der ersten Schwellwerttemperatur (z.
B. 0°C) in einem Startvorbereitungszustand ist, und einen
Befehl zum Starten eines schnellen Aufwärmens im Niedrigeffizienzbetrieb
ausgibt, erkennt das Zulässige-Zellspannungswert-Einstellteil 80c den
Betriebszustand der Brennstoffzelle 20 als den relevanten
Moment, und stellt einen Zulässige-Niedrigste-Zellspannung-Wert
Vph gemäß dem Betriebszustand durch Bezugnahme
auf das Zulässige-Wert-Kennfeld ein (siehe 4).
Hierbei stellt das Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil 80d einen
Initialwert für einen Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert
Vth ein (z. B. –0,05 V) (siehe 4). Dabei
ist zu beachten, dass der Initialwert des Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wertes
nicht nur ein fester Wert sein kann, sondern auch beliebig gemäß der
FC-Bezüglichen-Temperatur bzw. der Temperatur bzgl. der
Brennstoffzelle, etc. verändert werden kann.
-
Das
Strom/Spannungsbefehlswert-Berechnungsteil 80e gibt einen
Strombefehlswert und einen Spannungsbefehlswert an den DC-DC-Wandler 90 aus,
um die Zellspannung der Brennstoffzelle in Richtung Initialwert
auf den Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert Vt zu vermindern. Durch
Ausführen einer solchen Steuerung fällt die Zellspannung
der Brennstoffzelle 20 auf die Ziel-Niedrigste-Zellspannung
Vth ab.
-
Betrieb für den Fall
eines abfallenden Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wertes
-
Das
Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil 80d vergleicht die
niedrigste Zellspannung, die durch das Zellkontrollgerät 101 erfasst
wird, mit dem Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert Vth, das Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil 80d beurteilt
anschließend, unter Verwendung des Bedingungsausdrucks
(1), ob die niedrigste Zell spannung für eine vorgegebene Zeitdauer
(vorbestimmte Zeitdauer) kontinuierlich nahe dem Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert
Vth ist. Dabei ist zu beachten, dass die Schwellwertspannung Vr
(≥ 0) und eine vorgegebene Zeitdauer TR (≥ 0)
beliebig eingestellt bzw. verändert werden können. |Vth – Vd| ≤ Vr, das für
die vorbestimmte Zeitdauer Tr oder länger andauert (1)
-
Vth
steht für den Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert, Vd für
die niedrigste Zellspannung und Vr für die Schwellwertspannung
(Grenzwertbereich).
-
Wenn
das Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil 80d bestimmt, dass
der Bedingungsausdruck (1) zutrifft (siehe β1, dargestellt
in 4), aktualisiert das Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil 80d den Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert
Vth mit einem Wert, der durch Vermindern des Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wertes
Vth erhalten wird, nur um eine Aktualisierungsweite ΔV
(z. B., 0,05 V). Vth = Vth – ΔV (2)
-
Ferner
gibt das Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil 80d den aktualisierten
Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert an das Strom/Spannungsbefehlswert-Einstellteil 80e aus.
Das Strom/Spannungsbefehlswert-Einstellteil 80e gibt einen
Strombefehlswert und einen Spannungsbefehlswert an den DC-DC-Wandler 90 basierend
auf der Anforderungsleistungsausgabe von dem Anforderungsleistungsberechnungsteil 80a,
der zulässigen Zellspannungswertausgabe von dem Zulässige-Zellspannungswert-Einstellteil 80c und
der Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wertausgabe von dem Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil 80d aus.
Durch Ausführen einer solchen Steuerung fällt
die Zellspannung der Brennstoffzelle 20 auf den aktualisierten
Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert Vth ab. Die obenstehend beschriebene
Steuerung wird wiederholend ausgeführt, wodurch der Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert
Vth schrittweise vermindert wird.
-
Betrieb für den Fall
eines ansteigenden Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert
-
Das
Ziel-Zellspannung-Einstellteil 80d beurteilt unter Verwendung
eines Bedingungsausdrucks (3), ob die niedrigste Zellspannung für
eine gegebene Zeitdauer (vorbestimmte Zeitdauer) kontinuierlich nicht
nahe dem Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert Vth und höher
als der Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert Vth ist oder nicht. Dabei
ist zu beachten, dass eine Zielwert-Aktualisierungsgrenze Vr'(≥ 0) und
eine vorbestimmte Zeitdauer Tr'(≥ 0), wie im Bedingungsausdruck
(1) dargestellt, beliebig eingestellt bzw. verändert werden
können. Vd > Vth + Vr', das für
die vorbestimmte Zeitdauer Tr' oder länger andauert (3)
-
Vth
steht für den Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert, Vd steht
für die niedrigste Zellspannung und Vr' steht für
die Zielwert-Aktualisierungsgrenze (Aktualisierungsgrenze).
-
Wenn
das Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil 80d bestimmt, dass
der Bedingungsausdruck (3) zutrifft (siehe β2, dargestellt
in 4), aktualisiert das Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil 80d den Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert
Vth mit einem Wert, der durch Erhöhen der Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wertes
Vth erhalten wird, nur um eine Aktualisierungsweite ΔV'
(z. B. 0,05 V). Vth = Vth + ΔV' (4)
-
Der
Grund für den Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert, der schrittweise
vermindert worden ist und anschließend wieder angehoben
wurde, ist, dass wenn die Differenz zwischen der niedrigsten Zellspannung
und dem Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert groß wird, diese
große Differenz zu einem schnellen Abfall der niedrigsten
Zellspannung auf den Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert führt,
was eine nicht mehr steuerbare Zellspannung zur Folge hat (d. h.,
Verursachen der Zellspannung, signifikant unter den Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert
zu fallen).
-
Demgemäß wird
der Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert Vth mit dem Wert aktualisiert,
der durch Erhöhen des Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wertes
Vth ausschließlich um ΔV' (z. B. 0,05 V) erhalten
wird, und der aktualisierte Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert wird
an das Strom/Spannungsbefehlswert-Einstellteil 80e ausgegeben,
wenn die niedrigste Zellspannung, wie obenstehend beschrieben, nicht
kontinuierlich für eine gegebene Zeitdauer (vorbestimmte
Zeitdauer) nahe dem Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert Vth und höher
als der Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert Vth ist.
-
Das
Strom/Spannungsbefehlswert-Einstellteil 80e gibt einen
Strombefehlswert und einen Spannungsbefehlswert an den DC-DC-Wandler 90 basierend
auf der Anforderungsleistungsausgabe von dem Anforderungsleistungsberechnungsteil 80a und
der Ziel-Niedrigste-Zellspannungswerte-Ausgabe von dem Zulässige-Zellspannungswert-Einstellteil 80c und
dem Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil 80d aus. Die obenstehend
beschriebene Steuerung wird ausgeführt, wodurch ein Problem
verhindert wird, dass: die niedrigste Zellspannung und der Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert
sich stark voneinander unterscheiden; und als Ergebnis die Zellspannung
nicht mehr steuerbar ist, was dazu führt, dass die Zellspannung
signifikant unter den Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert fällt.
-
5 zeigt
ein Flussdiagramm, das den obenstehenden Strombegrenzungsprozess
erläutert. Eine Sequenz von Prozessabläufen durch
die Steuerung 80 wird untenstehend bezüglich dem
Flussdiagramm in 5 beschrieben.
-
Zuerst
beurteilt das Schnelle-Aufwärmen-Bestimmungsteil 80a,
ob die stapelbezügliche Temperatur im Startvorbereitungszustand
unter der ersten Schwellwerttemperatur (z. B. 0°C) liegt
oder nicht. Wenn das Schnelle-Aufwärmen-Bestimmungsteil 80a erfasst,
dass die stapelbezügliche Temperatur, die durch die Temperatursensoren 32, 36 erfasst wird,
unterhalb der ersten Schwellwerttemperatur liegt, bestimmt das Schnelle-Aufwärmen-Bestimmungsteil 80a,
dass ein schnelles Aufwärmen in einem Niedrigeffiziensbetrieb
gestartet werden sollte, und gibt Schnelles-Aufwärmen-Startbefehle
an das Zulässige-Zellspannungswert-Einstellteil 80c,
das Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil 80c und das Strom/Spannungsbefehlswert-Berechnungsteil 80e aus
(Schritt S10 bis Schritt S20).
-
Wenn
das zulässige Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil 80c den
Schnelles-Aufwärmen-Startbefehl erhält, erkennt
das Zulässige-Zellspannungswert-Einstellteil 80c den
Betriebszustand der Brennstoffzelle 20 als den relevanten
Moment, und stellt anschließend den Zulässige-Niedrigste-Zellspannung-Wert
Vth gemäß dem Betriebszustand unter Bezugnahme
auf das Zulässige-Wert-Kennfeld ein (Schritt S20). Hierbei
stellt das Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil 80d einen
Initialwert für einen Zulässige-Niedrigste-Zellspannung-Wert
Vth ein (z. B. –0,05 V) (Schritt S30).
(Schritt S30;
siehe 4)
-
Das
Strom/Spannungsbefehlswert-Berechnungsteil 80e gibt einen
Strombefehlswert und einen Spannungsbefehlswert an den DC-DC-Wandler 90 aus,
um die Zellspannung der Brennstoffzelle 20 auf den eingestellten
Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert Vth (hier: Initialwert) zu vermindern
(Schritt S40). Durch Ausführen einer solchen Steuerung
fällt die Zellspannung der Brennstoffzelle 20 auf
den Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert Vth ab.
-
Das
Ziel-Niedrigste-Zellspannungswert-Einstellteil 80d vergleicht
anschließend die niedrigste Zellspannung, die durch das
Zellkontrollgerät 101 erfasst wird, mit dem eingestellten
Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert Vth, und beurteilt dadurch, ob
der Zeitpunkt, wenn der Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert aktualisiert
wird, aufgetreten ist oder nicht (Schritt S50). Genauer gesagt beurteilt
das Ziel-Niedrigste-Zellspannungswert-Einstellteil 80 unter
Verwendung des Bedingungsausdrucks (1), ob die niedrigste Zellspannung
für eine gegebene Zeitdauer kontinuierlich nahe dem Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert
Vth ist oder nicht (ob der Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert abgefallen
ist oder nicht), oder beurteilt unter Verwendung des obenstehenden
Bedingungsausdrucks (3), ob die niedrigste Zellspannung für
eine gegebene Zeitdauer kontinuierlich nicht nahe dem Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert
Vth und höher als der Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert Vth
ist oder nicht (ob der Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert angestiegen
ist oder nicht).
-
Wenn
das Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil 80d bestimmt, dass
weder der Bedingungsausdruck (1) noch der Bedingungsausdruck (3)
zutrifft, und der Zeitpunkt, wenn der Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert
aktualisiert wird, nicht aufgetreten ist (Schritt S50; NEIN), schreitet
der Prozessablauf zu Schritt S40 zurück. Wenn hingegen
einer der obenstehenden Bedingungsausdrücke (1) und (3)
zutrifft, führt das Ziel- -Zellspannungswert 80d einen
Prozessablauf zum Vermindern oder Erhöhen des Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wertes
Vth gemäß dem zugetroffenen Zustandsausdruck aus.
-
Genauer
gesagt aktualisiert das Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil 80d den
Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert Vth mit einem Wert, der durch Vermindern
des Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wertes Vth nur um die Aktualisierungsweite ΔV
(siehe Ausdruck (2)) erhalten wird, um den Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert
zu vermindern, wenn der obenstehende Zustandsausdruck (1) zutrifft
(siehe β1, dargestellt in 4) (Schritt
S50, über Schritt S60, bis S80).
-
Hierbei
aktualisiert das Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil 80d den
Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert Vth mit einem Wert, der durch
Erhöhen des Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wertes Vth nur
um die Aktualisierungsweite ΔV' (siehe Ausdruck (4)) erhalten
wird, um den Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert anzuheben, wenn der
obenstehende Zustandsausdruck (3) zutrifft (siehe β2, dargestellt
in 4) (Schritt S50, über Schritt S60, bis
S70).
-
Das
Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil 80d aktualisiert den
Ziel-Zellspannung-Wert wie obenstehend beschrieben, und gibt anschließend
den aktualisierten Ziel-Zellspannung-Wert an das Strom/Spannungsbefehlswert-Einstellteil 80e aus.
Das Strom/Spannungsbefehlswert-Einstellteil 80e gibt einen
Strombefehlswert und ein Spannungsbefehlswert an den DC-DC Wandler 90 basierend
auf der Anforderungsleistungsausgabe von dem Anforderungsleistungsberechnungsteil 80a,
der Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wertausgabe von dem Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil 80d,
etc. aus (Schritt S40). Die obenstehend beschriebene Steuerung wird ausgeführt,
wodurch ein Problem verhindert wird, dass: sich die niedrigste Zellspannung
und der Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert stark voneinander unterscheiden;
und als Ergebnis, die Zellspannung nicht mehr zu kontrollieren ist,
was dazu führt, dass die Zellspannung signifikant unter
den Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert fällt.
-
B. Modifikationen
-
Die
vorliegende Erfindung soll nicht auf die obenstehend beschriebene
Ausführungsform beschränkt sein, sondern kann
auf verschiedene Arten und Weisen modifiziert sein.
-
Modifikation 1
-
Obwohl
der Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert in der obenstehenden Ausführungsform aktualisiert
wird, wenn entweder der Zustandsausdruck (1) oder der Zustandsausdruck
(3) zutrifft, kann zudem (oder anstelle dessen) der Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert
auch aktualisiert werden, wenn der untenstehende Zustandausdruck
(5) zutrifft. Ic = Il, was für
eine neu eingestellte Zeitdauer Ts während einer Strombegrenzung
oder länger andauert (5)
-
Ic
steht für einen Strombefehlswert, und Il für einen
untere-Grenze-Stromwert.
-
Wenn
das Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil 80d bestimmt, dass
der Zustandsausdruck (5) zutrifft, aktualisiert das Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil 80d den
Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert Vth mit der niedrigsten Zellspannung
Vr von dem gegenwärtigen Moment an, wie im untenstehenden
Ausdruck (6) dargestellt. Vth = Vr (6)
-
Vr
steht für eine niedrigste Zellspannung Vr von diesem bzw.
dem gegenwärtigen Moment an.
-
Wie
obenstehend beschrieben aktualisiert das Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil
(Einstelleinheit) 80d den Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert
Vth mit der niedrigsten Zellspannung von dem gegenwärtigen
Moment an (tatsächliche Zellspannung) Vr, wenn der Strombefehlswert
der Brennstoffzelle 20 für die neu eingestellte
Zeitdauer oder länger (z. B., 500 ms) während
der Strombegrenzung gleich dem Untere-Grenze-Stromwert (z. B, 10
A) ist. Der Grund für das Ausführen einer solchen
Steuerung ist der, wenn die niedrigste Zellspannung selbst nach
einer Strombegrenzung für eine gegebene Zeitdauer nicht
auf den Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert ansteigt, bleibt der Strombefehlswert
der Brennstoffzelle 20 auf einem Untere-Grenze-Stromwert
VI. Um das obenstehende Problem zu lösen aktualisiert das Ziel-Zellspannungswert-Einstellungsteil 80d den Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert
Vth mit der niedrigsten Zellspannung Vr von dem gegenwärtigen
Moment an, wenn der Strombefehlswert der Brennstoffzelle 20 für
eine gegebene Zeitdauer oder länger (neu eingestellte Zeitdauer)
gleich dem Untere-Grenze-Stromwert ist. Dabei ist zu beachten, dass
der Untere-Grenze-Stromwert Il und die neu eingestellte Zeitdauer
Ts beliebig eingestellt bzw. verändert werden können.
-
Modifikation 2
-
Der
Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert kann aktualisiert werden, wenn
die Zustandsausdrücke (1)' und (3)' anstelle (oder zusätzlich
zu) den umstehenden Zustandsausdrücken (1) und (3) zutreffen.
Hierbei ist zu beachten, dass die vorbestimmten Nummern Nr (≥ 1)
und Nr' (≥ 1) beliebig eingestellt bzw. verändert
werden können. |Vth – Vd| ≤ Vr,
das die vorbestimmte Anzahl Nr oder öfter erfasst wird (1)' Vd > Vth
+ Vr', das die vorbestimmte Anzahl Nr' oder öfter erfasst
ist (3)'
-
Genauer
gesagt aktualisiert das Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil 80d den
Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert Vth mit einem Wert, der durch Vermindern
des Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert Vth nur um die Aktualisierungsweite ΔV,
wie durch den Ausdruck (2) dargestellt, erhalten wird, wenn das Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil
(Einstelleinheit) 80d bestimmt, dass der Zustandsausdruck
(1)' zutrifft; wobei, wenn das Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil 80d bestimmt,
dass der Zustandsausdruck (3)' zutrifft, das Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil 80d den
Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert Vth mit einem Wert aktualisiert,
der durch Erhöhen des Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wertes
Vth nur um die Aktualisierungsweite ΔV, wie in Ausdruck
(4) dargestellt, erhalten wird. Wie obenstehend beschrieben kann
nicht basierend auf der Zeitdauer, während welcher die
niedrigste Zellspannung nahe dem Ziel-niedirgste-Zellspannung-Wert
Vth oder Zeitdauer, während welcher die niedrigste Zellspannung
nicht nahe dem Ziel-niedirgste-Zellspannung-Wert Vth ist, sondern
basierend auf der Anzahl, wenn die niedrigste Zellspannung nahe
den Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert Vth oder der Anzahl, wenn
die niedrigste Zellspannung nicht nahe dem Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert
Vth ist, beurteilt werden, ob der Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert
aktualisiert wird oder nicht.
-
Kurze Beschreibung der Figuren
-
1 zeigt
ein Systemkonfigurationsdiagramm eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform.
-
2 zeigt
ein Blockdiagramm einer Steuerung gemäß der Ausführungsform.
-
3 zeigt
ein Zeitdiagramm, das Betriebe konventioneller Stormbegrenzungsprozessabläufe erläutert.
-
4 zeigt
ein Zeitdiagramm, das Betriebe von Strombegrenzungsabläufen
der Ausführungsform erläutert.
-
5 zeigt
ein Flussdiagramm, das den Stormbegrenzungsprozessablauf der Ausführungsform
erläutert.
-
- 10
- Brennstoffzellensystem
- 20
- Brennstoffzelle
- 32,
36
- Temperatursensoren
- 101
- Zellkontrollgerät
- 80a
- Schnelles-Aufwärmen-Bestimmungsteil
- 80b
- Anforderungsleistung-Berechnungsteil
- 80c
- Zulässiger-Zellspannungswert-Einstellteil
- 80d
- Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil
- 80e
- Strom/Spannungsbefehlswert-Berechnungsteil
-
Zusammenfassung
-
Brennstoffzellensystem
-
Es
ist ein Brennstoffzellensystem zum Ausführen einer geeigneten
Strombegrenzung, selbst wenn eine Zellspannung durch z. B. ein schnelles Aufwärmen
abfällt, vorgesehen. Wenn ein schnelles Aufwärmen
gestartet wird, stellt ein Zulässige-Zellspannungswert-Einstellteil 80c einen
Zulässigen-Niedrigste-Zellspannung-Wert gemäß dem
Betriebszustand der Brennstoffzelle ein. Hierbei stellt ein Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil 80d einen
Initialwert für einen Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert ein.
Das Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil 80d vergleicht
anschließend eine niedrigste Zellspannung, die durch ein
Zellkontrollgerät erfasst wird, mit dem eingestellten Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert,
und beurteilt, ob die niedrigste Zellspannung für eine
gegebene Zeitdauer kontinuierlich nahe dem Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert
ist oder nicht. Falls das Ergebnis der Beurteilung positiv ist,
aktualisiert das Ziel-Zellspannungswert-Einstellteil 80d den Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wert
Vth mit einem Wert, der durch Vermindern des Ziel-Niedrigste-Zellspannung-Wertes
Vth nur um eine Aktualisierungsweite ΔV erhalten wird.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - JP 2003-504807
T [0004]