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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, und insbesondere
betrifft sie ein Brennstoffzellensystem, das eine Ausgangsleistung entsprechend
dem Betriebszustand einer Brennstoffzelle steuert.
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Technischer Hintergrund
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Momentan
sieht man der Zukunft einer motorisierten und vom Erdöl
abhängigen Gesellschaft eher mit Sorge entgegen, und es
ist daher damit zu rechnen, dass ein Auto weit verbreitete Anwendung finden
wird, das mit einer Brennstoffzelle ausgestattet ist, die als Brennstoff
Wasserstoff verwendet. Eine Brennstoffzelle weist eine Stapelstruktur
auf, in der die Zellen in Reihen gestapelt sind, und sie erzeugt Leistung
durch Nutzung einer elektrochemischen Reaktion zwischen einem wasserstoffhaltigen
Brenngas, das einer Anode zugeführt wird, und einem sauerstoffhaltigen
Oxidationsgas, das einer Kathode zugeführt wird.
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Verglichen
mit anderen Leistungsquellen unterliegt eine Brennstoffzelle während
des Hochfahrens verschiedenen Einschränkungen. Aufgrund
des Temperaturabfalls und der Vergiftung eines Elektrodenkatalysators
verschlechtert sich die Leistungserzeugungseffizienz einer solchen
Brennstoffzelle, was zur Folge hat, dass eine gewünschte
Spannung/ein gewünschter Strom nicht zugeführt
werden kann, und somit eine Vorrichtung in manchen Fällen
nicht gestartet werden kann.
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Angesichts
dieser Problematik wird beim Starten einer Brennstoffzelle ein Betrieb
bzw. Vorgang zum Wiederherstellen der Strom-/Spannungskennwerte
(IV-Kennwerte) der Brennstoffzelle (der nachstehend als ein Aktualisierungsbetrieb
bzw. -vorgang bezeichnet wird) ausgeführt, indem eine Verknappung
bzw. ein Mangel an zumindest entweder dem Brenngas, das der Anode
zugeführt wird, oder dem Oxidationsgas, das der Kathode
zugeführt wird, hervorgerufen wird, so dass die Überspannung eines
Teils einer Elektrode erhöht wird, wodurch weiterhin Wärme
erzeugt wird, die Temperatur der Brennstoffzelle erhöht
wird und der Elektrodenkatalysator reduziert wird (siehe z. B. Patentschrift
1).
- [Patentschrift 1] Japanische Patentanmeldungsoffenlegungsschrift
2003-504807 : übersetzte Fassung
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabenstellung der Erfindung
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Die
Strom-/Spannungskennwerte (die nachstehend als IV-Kennwerte bezeichnet
werden) einer Brennstoffzelle sind nicht unveränderlich
und unterliegen vor und nach einem Aktualisierungsbetrieb bzw. -vorgang
starken Schwankungen, wie nachstehend erläutert wird. Insbesondere
wenn der Aktualisierungsbetrieb bzw. -vorgang einmal ausgeführt worden
ist, stellt sich eine Verbesserung der IV-Kennwerte der Brennstoffzelle
ein. Wird jedoch der Aktualisierungsvorgang sehr häufig
ausgeführt, werden die IV-Kennwerte der Brennstoffzelle
mehr als nötig verbessert, weshalb man befürchtet,
dass ein durch die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle erzeugter Leistungsüberschuss
durch eine Sekundärzelle oder dergleichen nicht aufgenommen
werden kann.
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Die
vorliegende Erfindung ist angesichts der vorstehend erläuterten
Situation entwickelt worden, und es ist eine ihr zugrundeliegende
Aufgabe, ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, das einen Aktualisierungsvorgang
angemessen steuern kann.
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Mittel zur Lösung
der Aufgabe
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Zur
Lösung der Aufgabe ist ein Brennstoffzellensystem gemäß der
vorliegenden Erfindung gekennzeichnet durch: eine Brennstoffzelle,
eine Betriebseinrichtung zum Ausführen eines Aktualisierungsvorgangs
zum Verbessern der elektrischen Kennwerte der Brennstoffzelle; und
eine Betriebssteuerungseinrichtung zum Steuern der Ausführung des
Aktualisierungsvorgangs durch die Betriebseinrichtung, so dass eine
Ausgangsspannung der Brennstoffzelle nach dem Aktualisierungsvorgang
einen Soll-Ausgangsspannungs-Obergrenzewert nicht überschreitet.
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Gemäß einem
solchen Aufbau wird die Ausführung des Aktualisierungsvorgangs
so gesteuert, dass die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle nach
dem Aktualisierungsvorgang den Soll-Ausgangsspannungs-Obergrenzewert
nicht überschreitet, wodurch ermöglicht wird,
im Voraus zu verhindern, dass der Betrieb bzw. Vorgang in einem
Zustand ausgeführt wird, wo die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle
den Soll-Ausgangsspannungs-Obergrenzewert überschreitet,
und es dementsprechend möglich ist, die Lebensdauer der Brennstoffzelle
zu verlängern.
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Gemäß dem
vorstehenden Aufbau wird außerdem eine Konfiguration bevorzugt,
bei der die Betriebssteuerungseinrichtung die Ausgangsspannung der
Brennstoffzelle nach dem Aktualisierungsvorgang anhand der vor dem
Aktualisierungsvorgang bestehenden Ausgangsspannung der Brennstoffzelle
schätzt, und die Ausführung des Aktualisierungsvorgangs
durch die Betriebseinrichtung erlaubt wird, wenn beurteilt wird,
dass die geschätzte Ausgangsspannung nach dem Aktualisierungsvorgang
den Ausgangsspannungs-Obergrenzewert nicht überschreitet.
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Ein
weiteres Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden
Erfindung ist außerdem dadurch gekennzeichnet, dass es
folgende Merkmale aufweist: eine Brennstoffzelle; einen Akkumulator,
der mit der Brennstoffzelle über einen Abführweg
derselben verbunden ist; eine Betriebseinrichtung zum Ausführen
eines Aktualisierungsvorgangs, um die elektrischen Kennwerte der
Brennstoffzelle zu verbessern; eine Einstellungseinrichtung zum
Einstellen eines Leistungs-Obergrenzewerts der Brennstoffzelle unter
Berücksichtigung einer zulässigen Leistung des
Akkumulators; und eine Betriebssteuerungseinrichtung zum Steuern
der Ausführung des Aktualisierungsvorgangs durch die Betriebseinrichtung,
so dass eine Ausgangsleistung der Brennstoffzelle nach dem Aktualisierungsvorgang
einen Soll-Leistungs-Obergrenzewert nicht überschreitet.
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Gemäß dem
vorstehend geschilderten Aufbau weist das Brennstoffzellensystem
hier in einer bevorzugten Konfiguration eine Erfassungseinrichtung
zum Erfassen eines Ladezustands des Akkumulators auf, wobei die
Einstellungseinrichtung die zulässige Leistung des Akkumulators
anhand des Ladezustands des Akkumulators erfasst, der durch die Erfassungseinrichtung
erfasst wird, und den Leistungs-Obergrenzewert der Brennstoffzelle
unter Berücksichtigung der erhaltenen zulässigen
Leistung einstellt.
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Wirkung der Erfindung
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Wie
vorstehend beschrieben, ermöglicht die vorliegende Erfindung
eine angemessene Steuerung des Aktualisierungsvorgangs.
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Beste Art und Weise zum Ausführen
der Erfindung
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Eine
Ausführungsform gemäß der vorliegenden
Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.
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A. Vorliegende Ausführungsform
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1 zeigt
einen schematischen Aufbau eines Fahrzeugs, in dem ein Brennstoffzellensystem 10 gemäß der
vorliegenden Ausführungsform montiert ist. Zudem ist zu
beachten, dass in der nachstehenden Beschreibung ein Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug
(BZHF) als Beispiel für ein Fahrzeug dient, und dass die
vorliegende Erfindung aber auch auf ein Elektroauto oder ein Hybridauto
anwendbar ist. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht nur auf
das Fahrzeug, sondern auch auf verschiedene mobile Körper
(z. B. ein Schiff, ein Flugzeug, einen Roboter etc.), eine stationäre
Leistungsquelle und ein tragbares Brennstoffzellensystem anwendbar.
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Das
Brennstoffzellensystem 10 funktioniert als eine an einem
Auto montierte Leistungsquelle, die in ein Brennstoffzellenfahrzeug
eingebaut ist, und weist einen Brennstoffzellenstapel 20,
der eine Zufuhr eines Reaktionsgases (eines Brenngases, eines Oxidationsgases)
aufnimmt, um Leistung zu erzeugen; ein Oxidationsgas- Zuführsystem 30,
das Luft als das Oxidationsgas dem Brennstoffzellenstapel 20 zuführt;
ein Brenngas-Zuführsystem 40, das dem Brennstoffzellenstapel 20 ein
Wasserstoffgas als das Brenngas zuführt; ein Leistungssystem 50,
das die Ladung/Entladung der Leistung steuert; ein Kühlsystem 60,
das den Brennstoffzellenstapel 20 kühlt; und eine
Steuerungsvorrichtung (ECU) 70 auf, die das gesamte System
steuert.
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Bei
dem Brennstoffzellenstapel 20 handelt es sich um einen
Festpolymerelektrolyt-Brennstoffzellenstapel, in dem eine Mehrzahl
von Zellen der Reihe nach aneinander gestapelt sind. In dem Brennstoffzellenstapel 20 tritt
in einer Anode eine Oxidationsreaktion gemäß der
Formel (1) auf, und in einer Kathode tritt eine Reduktion gemäß einer
Formel (2) auf. Eine elektromotorische Reaktion gemäß der
Formel (3) ereignet sich im gesamten Brennstoffzellenstapel 20. H2 → 2H+ + 2e– (1) (1/2)O2 + 2H+ +
2e– → H2O (2) H2 + (1/2)O2 → H2O (3)
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Am
Brennstoffzellenstapel 20 sind ein Spannungssensor 71 zum
Erfassen der Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 und
ein Stromsensor 72 zum Erfassen eines Leistungserzeugungsstroms
angebracht.
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Das
Oxidationsgas-Zuführsystem 30 weist einen Oxidationsgas-Strömungsweg 34,
durch den ein Oxidationsgas strömt, das der Kathode des Brennstoffzellestapels 20 zugeführt
werden soll, und einen Oxidationsabgas-Strömungsweg 36 auf,
durch den ein Oxidationsabgas strömt, das aus dem Brennstoffzellenstapel 20 abgeführt
wird. Der Oxidationsgas-Strömungsweg 34 ist mit
einem Luftkompressor 32 versehen, der das Oxidationsgas
aus der Atmosphäre über einen Filter 31 aufnimmt;
einer Befeuchtungseinrichtung 33, die das Oxidationsgas
befeuchtet, das der Kathode des Brennstoffzellenstapels 20 zugeführt
werden soll; und einem Drosselventil 35, das die Menge
des zuzuführenden Oxidationsgases reguliert. Der Oxidationsabgas-Strömungsweg 36 ist mit
einem Gegendruckregler 37 versehen, der den Zuführdruck
des Oxidationsgases reguliert, und der Befeuchtungseinrichtung 33,
die Wasser zwischen dem Oxidationsgas (Trockengas) und dem Oxidationsabgas
(feuchten Gas) austauscht.
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Das
Brenngas-Zuführsystem 40 weist eine Brenngas-Zuführquelle 41;
einen Brenngasströmungsweg 45, durch den das von
der Brenngas-Zuführquelle 41 der Anode des Brennstoffzellenstapels 20 zuzuführende
Brenngas strömt; einen Umwälzungsströmungsweg 46,
der ein aus dem Brennstoffzellenstapel 20 abgeführtes
Brennstoffabgas dem Brenngas-Strömungsweg 45 zuführt;
eine Umwälzpumpe 47, die das, unter Druck stehende,
Brennstoff-Abgas aus dem Umwälzströmungsweg 46 dem Brenngas-Strömungsweg 43 zuführt;
und einen Gas-/Wasser-Abführströmungsweg 48 auf,
der zu dem Umwälzströmungsweg 47 abzweigt
und mit demselben verbunden ist.
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Die
Brenngaszuführquelle 41 besteht, z. B., aus einem
Hochdruck-Wasserstofftank, einer Wasserstoffspeicherlegierung oder
dergleichen, und sie speichert das unter hohem Druck stehende Wasserstoffgas
(z. B. 35 MPa bis 70 MPa). Wenn ein Sperrventil 42 geöffnet
wird, strömt das Brenngas aus der Brenngaszuführquelle 41 zu
dem Brenngas-Strömungsweg 45. Der Druck des Brenngases
wird durch einen Regler 43 oder eine Einspritzdüse 44 beispielsweise
auf etwa 200 kPa verringert, und das Gas wird dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführt.
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Es
ist zu beachten, dass die Brenngaszuführquelle 41 aus
einer Reformiereinrichtung, die aus einem Brennstoff auf Kohlenwasserstoffbasis
ein wasserstoffreiches Reformiergas bildet, und einem Hochdruck-Gastank
bestehen kann, der das Reformiergas, das durch diese Reformiereinrichtung
erzeugt wird, in einen Hochdruckzustand versetzt und so den Druck
beibehalten kann.
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Bei
dem Regler 43 handelt es sich um eine Vorrichtung, die
einen stromauf anliegenden Druck (einen Primärdruck) desselben
auf einen voreingestellten Sekundärdruck reguliert, und
der beispielsweise aus einem mechanischen Druckreduktionsventil
besteht, das den Primärdruck und dergleichen verringert.
Das mechanische Druckreduktionsventil beinhaltet ein Gehäuse,
in dem eine Gegendruckkammer und eine Druckregulierkammer mit einer
dazwischen angeordneten Membran ausgebildet ist, und weist einen
Aufbau auf, in dem der Primärdruck auf einen vorbestimmten
Druck in der Druckregulierkammer durch den Gegendruck der Gegendruckkammer
verringert wird, um den Sekundärdruck zu erhalten.
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Bei
der Einspritzdüse 44 handelt es sich um ein Ein-Aus-Ventil
mit einem elektromagnetischen Antrieb, in dem ein Ventilkörper
durch eine elektromagnetische Antriebskraft in einem vorbestimmten Antriebszyklus
direkt angetrieben wird, so dass es aus einem Ventilsitz bewegt
wird, wodurch eine Gasströmungsrate und ein Gasdruck reguliert
wird. Die Einspritzdüse 44 weist einen Ventilsitz
auf, der eine Strahlöffnung beinhaltet, die einen gasförmigen Brennstoff,
wie z. B. das Brenngas, ausstößt, und ferner einen
Düsenkörper aufweist, der das Brenngas der Strahlöffnung
zuführt und zu dieser leitet, und einen Ventilkörper,
der beweglich eingebaut und in Bezug auf diesen Düsenkörper
entlang einer axialen Richtung (einer Gasströmungsrichtung)
gehalten wird, um die Strahlöffnung zu öffnen
und zu schließen.
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Der
Gas-/Wasser-Abführströmungsweg 48 ist
mit einem Gas-/Wasserabführventil 49 versehen. Das
Gas-/Wasser-Abführventil 49 arbeitet durch einen
Befehl von der Steuerungsvorrichtung 70, um das Verunreinigungen
beinhaltende Brennstoff-Abgas und das Wasser nach außerhalb
des Umwälzströmungswegs 46 abzuführen.
Wenn das Gas-/Wasser-Abführventil 49 geöffnet
wird, nimmt die Konzentration der Verunreinigungen des Brennstoff-Abgases
in dem Umwälz-Strömungsweg 46 ab, und
die Konzentration des Wasserstoffs in dem Brennstoff-Abgas, das
durch ein Umwälzsystem umgewälzt wird, kann erhöht
werden.
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Das über
das Gas-/Wasser-Abführventil 49 abgeführte
Brennstoff-Abgas wird mit dem Oxidationsabgas, das durch den Oxidationsabgas-Strömungsweg 34 strömt,
vermischt und durch eine Verdünnungseinrichtung (nicht
gezeigt) verdünnt. Die Umwälzpumpe 47 wird
durch einen Motor angetrieben, so dass das Brennstoff-Abgas aus
dem Umwälzsystem umgewälzt und dem Brennstoffzellenstapel 20 zugeführt
wird.
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Das
Leistungssystem 50 weist einen Gleichstromwandler 51,
eine Batterie 52, einen Antriebsleistungs-Wechselrichter
bzw. -Inverter 53, einen Antriebsmotor 54 und Hilfsvorrichtungen 55 auf.
Der Gleichstromwandler 51 weist eine Funktion zum Erhöhen
einer Gleichstromspannung auf, die von der Batterie 52 zugeführt
wird, um die Spannung an den Antriebsleistungs-Wechselrichter bzw.
-Inverter 53 auszugeben, und eine Funktion zum Verringern
des Drucks einer Gleichstromleistung auf, die durch den Brennstoffzellenstapel 20 erzeugt
wird, oder einer Regenerativleistung, die durch den Antriebsmotor 54 durch
regeneratives Bremsen gesammelt wird, um die Batterie 52 aufzuladen.
Durch diese Funktionen des Gleichstromwandlers 51 wird
das Auf-/Entladen der Batterie 52 gesteuert. Durch die
Spannungsumwandlungssteuerung des Gleichstromwandlers 51 wird
außerdem der Betriebspunkt (die Ausgangsspannung, der Ausgangsstrom)
des Brennstoffzellenstapels 20 gesteuert.
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Die
Batterie (ein Akkumulator) 52 funktioniert als eine Speicherquelle
für eine überschüssige Leistung, eine
Regenerativenergie-Speicherquelle während dem regenerativen
Bremsen oder als ein Energiepuffer während Lastschwankungen,
die zusammen mit dem Beschleunigen oder Abbremsen des Brennstoffzellenfahrzeugs
einhergehen. Als Batterie 52 eignet sich z. B. eine Nickel/Cadmium-Akkumulatorbatterie,
eine Nickel/Wasserstoff-Akkumulatorbatterie oder eine Sekundärbatterie,
wie z. B. eine Lithium-Sekundärbatterie.
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Bei
dem Antriebsleistungs-Wechselrichter bzw. -Inverter 53 handelt
es sich z. B. um einen PWM-Inverter, der durch ein Pulsweitenmodulationssystem
angetrieben wird, und der eine Gleichstromspannung, die aus dem
Brennstoffzellenstapel 20 oder der Batterie 52 ausgegeben
wird, in Drehstromspannungen gemäß dem Steuerungsbefehl
von der Steuerungsvorrichtung 70 umwandelt, um das Drehmoment
des Antriebsmotors 54 zu steuern. Der Antriebsmotor 54 ist
ein Motor (z. B. ein Drehstrommotor), der Räder 56L und 56R antreibt
und der eine Leistungsquelle des Brennstoffzellenfahrzeugs darstellt.
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Die
Hilfsvorrichtungen 55 beinhalten im Allgemeinen Motoren,
die in Einheiten des Brennstoffzellensystems 10 (z. B.
Leistungsquellen für Pumpen etc.) angeordnet sind, Inverter
bzw. Wechselrichter zum Antreiben dieser Motoren und verschieden
am Auto montierte Hilfsvorrichtungen (z. B. Luftkompressor, Einspritzdüse,
Kühlwasser-Umwälzpumpe, Kühlereinrichtung
etc.).
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Das
Kühlsystem 60 weist Kühlmittelwege 61, 62, 63 und 64,
die ein Kühlmittel zuführen, dass durch den Brennstoffzellenstapel 20 umgewälzt
wird; eine Umwälzpumpe 65 zum Zuführen
des unter Druck stehenden Kühlmittels; eine Kühlereinrichtung 66 für
den Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmittel und
der Außenluft; ein Dreiwegeventil 67 zum Schalten
der Umwälzleitungen des Kühlmittels; und einen
Temperatursensor 74 zum Erfassen einer Kühlmitteltemperatur.
Das Dreiwegeventil 67 wird gesteuert, so dass es sich öffnet
und schließt, so dass, während eines gewöhnlichen
Betriebs, nach der Beendung des Aufwärmvorgangs, das aus
dem Brennstoffzellenstapel 20 strömende Kühlmittel
durch die Strömungswege 61 und 64 strömt,
durch die Kühlereinrichtung 66 gekühlt
wird und dann durch den Kühlmittelweg 63 strömt,
um dann wieder in den Brennstoffzellenstapel 20 zu strömen.
Außerdem wird das Dreiwegeventil 67 so gesteuert,
dass es sich öffnet und schließt, so dass während
des Aufwärmvorgangs unmittelbar nach dem Systemstart das
aus dem Brennstoffzellenstapel 20 strömende Kühlmittel durch
die Kühlmitteleitungen 61, 62, 63 strömt,
um wieder in den Brennstoffzellenstapel 20 zu strömen.
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Bei
der Steuerungsvorrichtung 70 handelt es sich um ein Computersystem,
das eine CPU, einen ROM, einen RAM, eine Eingangs-/Ausgangs-Schnittstelle
und dergleichen aufweist und als eine Steuerungseinrichtung zum
Steuern der Einheiten des Brennstoffzellensystems 10 (des
Oxidationsgas-Zuführsystems 30, des Brenngas-Zuführsystems 40, des
Leistungssystems 50 und des Kühlsystems 60) dient.
Die Steuerungsvorrichtung 70 startet z. B. den Betrieb
des Brennstoffzellensystems 10 nach dem Erhalt eines Startsignals
IG, das von einem Zündschalter ausgegeben wird, und erhält
die vom gesamten System angeforderte Leitung basierend auf einem
Fahrpedal-Verstellwegsignalssignal ACC, das aus einem Fahrpedalsensor
ausgegeben wird, einem Fahrzeuggeschwindigkeitssignalsignal VC,
das aus einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor ausgegeben wird, und
dergleichen.
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Bei
der von dem gesamten System angeforderten Leistung handelt es sich
um einen Gesamtwert einer Fahrzeuglaufleistung und einer Hilfsvorrichtungsleistung.
Die Hilfsvorrichtungsleistung beinhaltet eine durch die im Auto
montierten Hilfsvorrichtungen verbrauchte Leistung (die Befeuchtungseinrichtung,
den Luftkompressor, die Wasserstoffpumpe, die Kühlwasser-Umwälzpumpe
etc.), die durch die für den Fahrzeugfahrbetrieb notwendigen
Vorrichtungen verbrauchte Leistung (Getriebe, Radsteuerungsvorrichtung,
Lenkvorrichtung, Radaufhängungsvorrichtung etc.), die durch
die in einer Fahrgastzelle angeordneten Vorrichtungen verbrauchte Leistung
(Klimaanlage, Beleuchtungskörper, Elektroakustik etc.)
und dergleichen.
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Außerdem
bestimmt die Steuerungsvorrichtung 70 die Verteilung der
Ausgangsleistungen des Brennstoffzellenstapels 20 und der
Batterie 52, um einen Leistungserzeugungsbefehlswert zu
berechnen, und steuert das Oxidationsgas-Zuführsystem 30 und
das Brenngas-Zuführsystem 40, so dass der Betrag
der durch den Brennstoffzellenstapel 20 erzeugten Leistung
einer Soll-Leistung (der angeforderten Leistung) entspricht. Die
Steuerungsvorrichtung 70 steuert ferner den Gleichstromwandler 51,
so dass die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 reguliert
wird, wodurch der Betriebspunkt (die Ausgangsspannung, der Ausgangsstrom)
des Brennstoffzellenstapels 20 gesteuert wird. Die Steuerungsvorrichtung 70 gibt
z. B. einen Wechselstromspannungs-Befehlswert von U, V- und W-Phasen
als Schaltbefehle an den Antriebsleistungs-Wechselrichter bzw. -Inverter 53 aus,
um eine Soll-Fahrzeuggeschwindigkeit gemäß dem
Fahrpedal-Verstellweg zu erhalten, wodurch das Ausgangsdrehmoment
und die Drehzahl des Antriebsmotors 54 gesteuert werden.
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Außerdem
wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform
ein Aktualisierungsvorgang durch einen Niedereffizienzbetrieb zu
einem vorbestimmten Steuerzeitpunkt unter der Steuerung der Steuerungsvorrichtung 70 ausgeführt.
Hier wird in dem Niedereffizienzbetrieb die zuzuführende
Luftmenge im Vergleich zu der Luftmenge während des gewöhnlichen
Betriebs (z. B. wenn ein stöchimetrisches Luftverhältnis
um einen Wert von 1,0 eingestellt ist) verringert, wodurch ein Leistungserzeugungsverlust
vergrößert wird, so dass der Betrieb mit einer
niedrigen Leistungserzeugungseffizienz ausgeführt wird.
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Auf
diese Weise kann die Steuerungsvorrichtung 70 (Betriebseinrichtung)
die IV-Kennwerte (elektrischen Kennwerte) des Brennstoffzellenstapels 20 durch
Erhöhen der Überspannung eines Teils der Elektrode
wiederherstellen, so dass weiter Wärme erzeugt werden kann,
die Temperatur der Brennstoffzelle erhöht und der Elektrodenkatalysator
reduziert werden kann (z. B. durch Ausführen des Aktualisierungsvorgangs).
Wenn jedoch so ein Aktualisierungsvorgang sehr häufig ausgeführt
wird, werden die IV-Kennwerte mehr als nötig verbessert,
was dahingehend zu einem Problem führt, dass eine durch die
Leistungserzeugung der Brennstoffzelle erzeugte überschüssige
Leistung durch eine Sekundärzelle oder dergleichen nicht
aufgenommen werden kann (siehe Absatz über die Aufgabenstellung
der Erfindung). Diese Aufgabenstellung wird unter Bezugnahme auf 2 beschrieben.
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2 ist
ein Diagramm, das die IV-Kennwerte des Brennstoffzellenstapels 20 vor
und nach dem Aktualisierungsvorgang zeigt. Die IV-Kennwerte vor dem
Aktualisierungsvorgang sind durch eine durchgehende Linie gezeigt,
und die IV-Kennwerte nach dem Aktualisierungsvorgang sind durch
eine Strichpunktlinie gezeigt. Zu beachten ist, dass es sich bei einer
Ziel-OC-Verhinderungsspannung bzw. Ziel-Überspannungsverhinderungs-Spannung
Var von 2 um einen Schwellwert (z. B.
etwa 0,85/Zelle) einer Obergrenzespannung des Brennstoffzellenstapels 20 handelt,
die während der Versandabfertigung werkseitig eingestellt
wird.
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<Zustand
vor dem Aktualisierungsvorgang>
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Vor
dem Aktualisierungsvorgang bestimmt die Steuerungsvorrichtung 70 die
Verteilung der Ausgangsleistungen des Brennstoffzellenstapels 20 und der
Batterie 52 und steuert die Zufuhr des Oxidationsgases
und des Brenngases, so dass der durch den Brennstoffzellenstapel 20 zu
erzeugende Leistungsbetrag mit der Soll-Leistung übereinstimmt. Ferner
steuert die Steuerungsvorrichtung 70 den Gleichstromwandler 51,
so dass die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 reguliert
wird. Somit ist der Betriebspunkt (der Ausgangsstrom, die Ausgangsspannung)
auf einer IV- Kennwerteverlaufskurve C1 (siehe die in 2 gezeigte
durchgehende Linie) positioniert.
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<Zustand
nach dem Aktualisierungsvorgang>
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Wenn
hingegen der Aktualisierungsvorgang beendet wird, verbessern sich
die IV-Kennwerte des Brennstoffzellenstapels 20, und die
IV-Kennwerteverlaufskurve verschiebt sich von der durch die durchgehend
gezogene Linie in 2 gezeigten Kennwerteverlaufskurve
C1 zu einer IV-Kennwerteverlaufskurve C2. Mit der Verschiebung des
IV-Kennwerteverlaufskurve steigt die erhaltene Ausgangsspannung
sogar dann an, wenn die Steuerungsvorrichtung 70 den Gleichstromwandler 51 steuert,
so dass vor und nach dem Aktualisierungsvorgang der gleiche Ausgangsstrom
erhalten wird. Somit stellt sich z. B. dahingehend ein Problem ein,
dass, auch wenn die Ausgangsspannung vor dem Aktualisierungsvorgang
auf die OC-Verhinderungsspannung bzw. Überspannungs-Verhinderungsspannung
Var oder weniger eingestellt wird (siehe Betriebspunkt (I1, V1),
der in 2 gezeigt ist), die Ausgangsspannung die Überspannungs-Verhinderungsspannung Var
nach dem Aktualisierungsvorgang überschreitet (siehe Betriebspunkt
(I2, V2), der in 2 gezeigt ist).
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Zur
Lösung der Aufgabe steuert in der vorliegenden Ausführungsform
die Steuerungsvorrichtung (Betriebssteuerungseinrichtung) 70 die
Ausführung des Aktualisierungsvorgangs, so dass die Ausgangsspannung
die Überspannungs-Verhinderungsspannung Var selbst nach
dem Aktualisierungsvorgang nicht überschreitet. Insbesondere
schätzt die Steuerungsvorrichtung (die Betriebssteuerungseinrichtung) 70 die
Ausgangsspannung nach dem Aktualisierungsvorgang und steuert die
Ausführung des Aktualisierungsvorgang, so dass die geschätzte
Ausgangsspannung nach dem Aktualisierungsvorgang die Überspannungs-Verhinderungsspannung
(einen Ausgangsspannungs-Obergrenzewert) Var nicht überschreitet.
Vor dem Aktualisierungsvorgang schätzt die Steuerungsvorrichtung 70 z.
B. die nach dem Aktualisierungsvorgang vorliegende Ausgangsspannung,
wie vorstehend beschrieben ist, und beurteilt, ob die geschätzte
Ausgangsspannung die Überspannungs-Verhinderungsspannung
Var überschreitet oder nicht. Wenn anschließend
beurteilt wird, dass die geschätzte Aus gangsspannung die Überspannungs-Verhinderungsspannung
Var nicht überschreitet, führt die Steuerungsvorrichtung
(die Betriebssteuerungseinrichtung und die Betriebseinrichtung) 70 den
Aktualisierungsvorgang bzw. -betrieb aus.
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Ein
Verfahren zum Steuern der Ausführung des Aktualisierungsvorgangs
ist natürlich nicht auf das vorstehende Verfahren beschränkt.
Die Steuerungsvorrichtung (die Betriebssteuerungseinrichtung) 70 erhält
z. B. eine Differenz ΔV zwischen der Ausgangsspannung vor
dem Aktualisierungsbetrieb und der Überspannungs-Verhinderungsspannung Var,
und kann den Aktualisierungsbetrieb nur ausführen, wenn
die erhaltene Differenz ΔV den Schwellwert der Spannung
nicht unterschreitet. Zu beachten ist dabei, dass die Schwellspannung
im Vorfeld mit Hilfe von Experimenten oder dergleichen erhalten werden
kann.
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Hier
handelt es sich bei 3 um ein Diagramm, das eine
Beziehung zwischen den IV-Kennwerten und den IP-Kennwerten (Ausgangsstrom-/Ausgangsleistungs-Kennwerte)
des Brennstoffzellenstapels 20 vor und nach dem Aktualisierungsvorgang
darstellt. Die IV-Kennwerte und die IP-Kennwerte vor dem Aktualisierungsvorgang
sind durch durchgehende Linien gezeigt, und die IV-Kennwerte und
die IP-Kennwerte nach dem Aktualisierungsvorgang sind durch eine
Strichpunktlinie gezeigt. Zu beachten ist dabei, dass es sich bei
einem Leistungsschwellwert Par, der in 4 gezeigt
ist, um den Obergrenzewert der Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels 20 handelt,
der unter Berücksichtigung der zulässigen Leistung
der Batterie 52 eingestellt wird. Außerdem zeigt
die in 3 gezeigte Ziel-Überspannungs-Verhinderungsspannung
Var den Schwellwert der Obergrenzespannung des Brennstoffzellenstapels 20 auf
die gleiche Art und Weise wie in 2.
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Wie
in 3 gezeigt ist, wird der Aktualisierungsvorgang
ausgeführt, so dass auch die IP-Kennwerte (elektrischen
Kennwerte) des Brennstoffzellenstapels 20 verbessert werden,
und eine IP-Kennwerteverlaufskurve verschiebt sich von einer IP-Kennwerteverlaufskurve
C3 auf eine IP-Kennwerteverlaufskurve C4. Wenn in diesem Zusammenhang
die Betriebspunke unter der Ziel-Überspannungs-Verhinderungsspannung
Var vor und nach dem Aktualisierungsvorgang miteinander verglichen
werden, ist eine Ausgangsleistung P02 an einem Betriebspunkt (I2,
V2) nach dem Aktualisierungsvorgang größer als eine
Ausgangsleistung P01 an einem Betriebspunkt (I1, V1) vor dem Aktualisierungsvorgang.
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Zur
Verhindern der Überladung der Batterie (des Akkumulators) 52 muss
die Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels 20 hier
unterdrückt werden, so dass sie den Leistungsschwellwert
Par unterschreitet. Wenn die IP-Kennwerte durch den Aktualisierungsvorgang
verbessert werden, wie in 3 gezeigt
ist, überschreitet die Ausgangsleistung P02 nach dem Aktualisierungsvorgang
gelegentlich den Leistungsschwellwert Par.
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Daher
steuert in der vorliegenden Ausführungsform die Steuerungsvorrichtung
(die Betriebssteuerungseinrichtung) 70 den Aktualisierungsvorgang
des Brennstoffzellenstapels 20, so dass die Ausgangsleistung
den Leistungsschwellwert Par nicht überschreitet. Insbesondere
bestimmt die Steuerungsvorrichtung 70 den Startzeitpunkt
und den Stoppzeitpunkt des Aktualisierungsvorgangs, so dass die
Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels 20 den Leistungsschwellwert
Par nicht überschreitet. Die Steuerungsvorrichtung 70 schätzt
die IP-Kennwerte nach dem Aktualisierungsvorgang und erhält
den geschätzten Wert der Ausgangsleistung von den geschätzten
IP-Kennwerten, um vor dem Aktualisierungsvorgang zu beurteilen,
ob der Aktualisierungsvorgang ausgeführt werden kann oder
nicht. Außerdem führt die Steuerungsvorrichtung 70 führt den
Aktualisierungsvorgang aus, wenn der geschätzte Wert der
Ausgangsleistung den Leistungsschwellwert Par unterschreitet, wohingegen
die Steuerungsvorrichtung den Aktualisierungsvorgang verbietet, wenn
der geschätzte Wert der Ausgangsleistung den Leistungsschwellwert
Par nicht unterschreitet. Folglich kann im Vorfeld dahingehend ein
Problem verhindert werden, dass die Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels 20 übermäßig
hoch ist und dass dementsprechend eine überschüssige
Leistung durch die Batterie 52 nicht aufgenommen werden kann
(d. h. die Batterie 52 überladen ist). Zu beachten
ist dabei, dass die Steuerungsvorrichtung 70 basierend
auf z. B. der Fahrbetriebszeit, den zurückgelegten Fahrkilometern,
der Temperatur der Brennstoffzelle und dergleichen zu einem vorbestimmten Steuerzeitpunkt
beurteilen kann, ob der Aktualisierungsvorgang ausgeführt
werden kann oder nicht.
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Hier
wird die Vorgehensweise beim Einstellen des Leistungsschwellwerts
Par beschrieben. Wie hinreichend bekannt ist, variiert die zulässige
Leistung der Batterie 52 (d. h. der Leistungsbetrag, mit dem
die Batterie 52 aufgeladen werden kann) beständig
entsprechend der vom System geforderten Leistung, der von der Batterie 52 abgegebenen
Leistung und dergleichen. In der vorliegenden Ausführungsform
wird daher der Ladezustand der Batterie (des Akkumulators) 52 durch
einen Ladezustandssensor (die Erfassungseinrichtung) 52a erfasst,
und der Leistungsschwellwert Par wird basierend auf dem erfassten
Ergebnis eingestellt und aktualisiert. Wobei auf diesen Punkt in
der Beschreibung noch ausführlicher eingegangen wird. Die
Steuerungsvorrichtung (Einstellungseinrichtung) 70 erfasst
den Ladezustand der Batterie 52 durch den Ladezustandssensor 52a und
stellt den Leistungsschwellwert (einen Leistungsobergrenzewert)
Par basierend auf dem erfassten Ergebnis ein oder aktualisiert denselben.
Anders ausgedrückt erhält die Steuerungsvorrichtung 70 nach
dem Erfassen des Ladezustands der Batterie 52 durch den
Ladezustandssensor 52 die zulässige Leistung der
Batterie 52 anhand des erfassten Ergebnisses. Anschließend
aktualisiert die Steuerungsvorrichtung (die Einstellungseinrichtung) 70 den
Leistungsschwellwert Par, so dass der Leistungsüberschuss
in der zulässigen Leistung der Batterie (des Akkumulators) 52 beinhaltet
ist, während der von dem System angeforderten Leistung
entsprochen wird.
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Wie
vorstehend beschrieben, schätzt die Steuerungsvorrichtung 70 gemäß der
vorliegenden Ausführungsform die Ausgangsspannung nach
dem Aktualisierungsvorgang anhand der vor dem Aktualisierungsvorgang
vorliegenden Ausgangsspannung, und steuert die Ausführung
des Aktualisierungsvorgangs, so dass die geschätzte Ausgangsspannung nach
dem Aktualisierungsvorgang die Überspannungs-Verhinderungsspannung
nicht überschreitet. Folglich kann im Vorfeld verhindert
werden, dass der Betrieb in einem Zustand ausgeführt wird,
wo die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 die Überspannungs-Verhinderungsspannung
Var überschreitet, und die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels 20 kann
somit verlängert werden.
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Zudem
führt die Steuerungsvorrichtung 70 den Aktualisierungsvorgang
aus, wenn der geschätzte Wert der Ausgangsleistung den
Leistungsschwellwert Par unterschreitet, wohingegen die Steuerungsvorrichtung
den Aktualisierungsvorgang verhindert, wenn der geschätzte
Wert der Ausgangsleistung den Leistungsschwellwert Par unterschreitet.
Folglich kann im Vorfeld ein Problem dahingehend verhindert werden,
dass die Ausgangsleistung des Brennstoffzellenstapels 20 übermäßig
hoch ist und dementsprechend die Batterie 52 die überschüssige
Leistung nicht aufnehmen kann (d. h. die Batterie 52 überladen
ist).
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B. Modifizierung
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- (1) Gemäß der vorstehenden
Ausführungsform wird im Speziellen nicht auf die Betriebsbedingungen
des Aktualisierungsvorgangs eingegangen, jedoch können
die Betriebsbedingungen des Aktualisierungsvorgangs entsprechend
dem eingestellten Leistungsschwellwert Par, der Überspannungs-Verhinderungsspannung
Var oder dergleichen verändert werden. Insbesondere verändert die
Steuerungsvorrichtung 70 Betriebsbedingungen, wie z. B.
ein Zeitintervall zum Ausführen des Aktualisierungsvorgangs
(z. B. alle 30 Sekunden, alle vier Minuten oder dergleichen) und
die Ausgangsspannung des Brennstoffzellenstapels 20 während
des Aktualisierungsvorgangs (z. B. 0,3 V, 0,6 V oder dergleichen)
gemäß dem eingestellten Leistungsschwellwert Par,
der Überspannungs-Verhinderungsspannung Var oder dergleichen.
Selbstverständlich können die Bedingungen, zu
denen die Parameter betreffend dem Aktualisierungsvorgang (Zeitintervall,
Ausgangsspannung etc.) verändert werden, willkürlich
eingestellt werden.
- (2) Gemäß der vorstehenden Ausführungsform
ist ein Fall als Beispiel beschrieben worden, wo der Aktualisierungsvorgang
während des Fahrzeugfahrbetriebs ausgeführt worden
ist, doch ist die vorliegende Erfindung auch auf einen Fall anwendbar,
wo der Aktualisierungsvorgang beim Start oder Stopp des Systems
oder während einer Betriebsunterbrechung desselben ausgeführt wird.
Wenn außerdem die von dem System angeforderte Leistung
einen vorbestimmten Wert nicht überschreitet (sich z. B.
Leistungsabgabe im Leerlaufbereich oder dergleichen bewegt), kann beurteilt
werden, ob der Aktualisierungsvorgang ausgeführt werden
kann oder nicht.
- (3) In der vorliegenden Ausführungsform ist ein Fall
beschrieben worden, in dem der Aktualisierungsvorgang ausgeführt
wird, um die Aktivität des vergifteten Elektrodenkatalysators
wiederherzustellen, jedoch ist die vorliegende Erfindung in jedem
Fall anwendbar, solange der Aufwärmbetrieb erforderlich
ist, z. B. einem Fall, in dem der Aufwärmbetrieb während
eines Niedertemperaturstarts ausgeführt wird, oder einem
Fall, in dem der rasche Aufwärmvorgang vor dem Stopp des Systembetriebs
oder dergleichen ausgeführt wird.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung
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1 ist
ein Diagramm, das den Aufbau des Hauptteils eines Brennstoffzellensystems
gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 ist
ein Diagramm, das die IV-Kennwerte eines Brennstoffzellenstapels
vor und nach einem Aktualisierungsvorgang zeigt; und
-
3 ist
ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen den IV-Kennwerten und
den IP-Kennwerten des Brennstoffzellenstapels vor und nach dem Aktualisierungsvorgang
zeigt.
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- 10
- Brennstoffzellensystem
- 20
- Brennstoffzellenstapel
- 30
- Oxidationsgas-Zuführsystem
- 40
- Brenngas-Zuführsystem
- 50
- Leistungssystem
- 60
- Kühlsystem
- 70
- Steuerungsvorrichtung
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Zusammenfassung
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Brennstoffzellensystem
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Die
Erfindung sieht ein Brennstoffzellensystem vor, das einen Aktualisierungsvorgang
angemessen steuern kann. Eine Steuerungsvorrichtung steuert den
Aktualisierungsvorgang so, dass eine Ausgangsspannung eine Überspannungs-Verhinderungsspannung
Var auch nach einem Aktualisierungsvorgang nicht überschreitet.
Insbesondere schätzt die Steuerungsvorrichtung die Ausgangsspannung
nach dem Aktualisierungsvorgang anhand der Ausgangsspannung vor
dem Aktualisierungsvorgang und steuert die Ausführung des
Aktualisierungsvorgangs, so dass die geschätzte Ausgangsspannung
nach dem Aktualisierungsvorgang die Überspannungs-Verhinderungsspannung
Var nicht überschreitet. Wenn z. B. vor dem Aktualisierungsvorgang
beurteilt wird, dass die geschätzte Ausgangsspannung nach
dem Aktualisierungsvorgang die Überspannungs-Verhinderungsspannung
Var nicht überschreitet, führt die Steuerungsvorrichtung den
Aktualisierungsvorgang aus.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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