DE112009000598B4 - Leistungversorgungs-Steuerverfahren - Google Patents

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Abstract

Um eine Batterievorrichtung in einer Leistungsversorgung, die mit einer Brennstoffzelle und einer Batterievorrichtung ausgerüstet ist, schneller aufzuwärmen, beinhaltet ein Brennstoffzellen-ausgerüstetes-Fahrzeugantriebssystem 10 zum Antrieb und Steuern einer rotierenden elektrischen Maschine 14, die in einem Fahrzeug installiert ist, einen Inverter 12, der mit der rotierenden elektrischen Maschine 14 verbunden ist, eine Leistungsversorgungsschaltung 20 mit einer Batterievorrichtung 22, einem Spannungswandler 24 und eine Brennstoffzelle 26; und eine Leistungsversorgungs-Steuervorrichtung 40 zur Steuerung der Leistungsversorgungsschaltung 20. Die Leistungsversorgungs-Steuervorrichtung 40 umfasst ein BZ-Ausgangsspannungs-Einstellmodul 42 zur Einstellung der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle, ein OCV-Vermeidungsmodul 44 zur Vermeidung, wenn eine BZ Ausgangsspannung eingestellt wird, einer Spannung nahe dem OCV, ein Batterieaufwärm-Steuerbestimmmodul 46 zur Festlegung, ob die Batterievorrichtung 22 unter Aufwärmsteuerung ist oder nicht, und ein OCV-Vermeidungsfreigabemodul 48 zur Freigabe der OCV-Vermeidung, wenn die Batterievorrichtung 22 unter Aufwärmsteuerung ist.

Description

  • Technisches Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leistungsversorgungs-Steuerverfahren, welches einen Betrieb einer Leistungsversorgung, die eine Batterievorrichtung und eine Brennstoffzelle umfasst, steuert.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Brennstoffzellen werden oft zum Einbau in Fahrzeugen ausgewählt, da sie eine geringere Auswirkung auf die Umwelt haben. Um einen Betriebspunkt zur Kontrolle derartiger Brennstoffzellen zu erhalten, werden die Strom-Spannungs-Kennlinien, z.B.: die I-U-Kurve bzw. I-V-Kurve, oft als Ausgabecharakteristik der Brennstoffzelle verwendet. Der Schnittpunkt dieser I-U-Kurve und einer Leistungsbedarfslinie wird als ein Betriebspunkt eingestellt.
  • In einer Brennstoffzellen I-U-Kurve hat die Ausgangsspannung einen maximalen Wert, wenn der Strom 0 ist. Da der Zustand, bei dem der Stromwert 0 ist, einem Zustand, bei dem beide Ausgangsklemmen der Brennstoffzelle offen sind, entspricht, wird die Spannung zu diesem Zeitpunkt als eine Leerlaufspannung (OCV) bezeichnet. Wenn der Strom von diesem OCV-Zustand zunimmt, verringert sich der Spannungswert der Brennstoffzelle abrupt und wird dann auf einem festen Wert gehalten, und ein Bereich, in dem sich die Ausgangsspannung nicht mehr erheblich verändert, selbst mit Zunahme des Stromwerts, dauert fort. Wenn der Stromwert jenseits dieses Bereiches, in dem die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle stabil ist, zunimmt, fällt der Spannungswert anschließend von dem fixen Wert scharf auf 0 ab. Daher zeigt, aufgrund der elektrochemischen Reaktion der Brennstoffzelle, in der sich die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle nahe dem OCV und dem Bereich, in dem der Stromwert groß ist, scharf verändert, die I-U-Kurve der Brennstoffzelle eine Nichtlinearität auf. Da die Verschlechterung eines Katalysators, der eine strukturelle Komponente einer Brennstoffzelle ist, beschleunigt wird, wenn die Brennstoffzelle nahe dem OCV betrieben wird, wird die Einstellung des Betriebspunktes der Brennstoffzelle ausgeführt, während der Bereich nahe dem OCV vermieden wird.
  • Beispielsweise zeigt die japanische Offenlegungsschrift JP 2007-5038 A (Patentdokument 1), dass in einem Brennstoffzellensystem die Ausgangscharakteristik einer Brennstoffzelle (BZ) verschlechtert wird, aufgrund eines Sinterphänomens, wenn sich die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle über dem Oxidations-Reduktionspotential nach einer Schwankung in dem Systemspannungsbedarfs verändert. Dementsprechend wird, wenn der BZ-Leistungsbedarf kleiner ist als die Oxidations-Reduktionsleistung, die BZ-Ausgangsspannung so auf einen OCV (Leerlaufspannung) eingestellt, dass die Leistung nicht erzeugt wird, wobei, wenn der BZ-Leistungsbedarf größer ist als die Oxidations-Reduktionleistung, die BZ-Ausgangsspannung auf eine Spannung, die dem Leistungsbedarf entspricht, eingestellt wird. Anschließend wird, selbst wenn sich der BZ-Leistungsbedarf anschließend verringert, um unter die Oxidations-Reduktionleistung zu fallen, die BZ-Ausgangsspannung während eines weitergeführten Zeitraums, um den Eignungswert β zu erreichen, auf das Oxidations-Reduktionspotential eingestellt, dabei wird die Leistungserzeugung weitergeführt. Wenn der Eignungswert β überschritten wird, ist keine Leistungserzeugung mehr nötig und keine Leistung wird erzeugt. Wie oben beschrieben, beschreibt das Patentdokument 1 die Vermeidung der Veränderung der BZ-Ausgangsspannung über das Oxidations-Reduktionspotential.
  • Ferner offenbart die WO 2004 / 082 040 A2 eine Leistungszuführung, welche durch eine Brennstoffzelle, einen mit der Brennstoffzelle verbundenen Verteiler und eine mit dem Verteiler verbundene Sekundärzelle ausgebildet ist, wobei ein Satz von Lasten mit dem Verteiler verbunden ist und eine Steuerungsvorrichtung den Verteiler steuert, um die Leistungszuführung durch abwechselndes Wiederholen einer Leistungs-Lade-Verteilung, bei welcher von der Brennstoffzelle erzeugte Leistung zu der Sekundärzelle und dem Satz von Lasten verteilt wird, und einer Leistungs-Entlade-Verteilung, bei welcher eine Summe einer von der Brennstoffzelle erzeugten Leistung und einer von der Sekundärzelle abgegebenen Leistung zu dem Satz von Lasten verteilt wird, aufzuwärmen.
  • Darüber hinaus zeigt die WO 2007 / 093 882 A2 eine Lade/Entlade-Steuerung für eine Sekundärbatterie mit einer Einrichtung zum Ermitteln, ob eine Anforderung für ein kontinuierliches Laden/Entladen für die Sekundärbatterie vorliegt, einer Einrichtung zum Einstellen einer elektrischen Leistung für das kontinuierliche Laden/Entladen für die Sekundärbatterie innerhalb eines Bereichs, welcher kleiner ist als eine beschränkte elektrische Leistung für das kontinuierliche Laden/Entladen, die periodisch oder zu jedem Zeitpunkt gemäß einem Batteriezustand der Sekundärbatterie ermittelt wird, und einer Einrichtung zum Steuern der durch eine elektrische Erzeugungseinrichtung erzeugten Leistung und/oder der durch eine Lasteinrichtung verbrauchten Leistung, so dass die elektrische Leistung, welche die Sekundärbatterie lädt/entlädt, der durch die Einstelleinrichtung eingestellten elektrischen Leistung für das kontinuierliche Laden/Entladen entspricht, wenn die Anforderung für das kontinuierliche Laden/Entladen durch die Ermittlungseinrichtung ermittelt wird. Die Steuerung verhindert eine übermäßige Variation der Spannung der Sekundärbatterie, wenn das Laden/Entladen der Sekundärbatterie über eine vergleichsweise lange Zeitdauer andauert, wie die Zeit zum Aufwärmen der Sekundärbatterie.
    • Patentdokument 1: JP 2007-5038 A
    • Patentdokument 2: WO 2004 / 082 040 A2
    • Patentdokument 3: WO 2007 / 093 882 A2
  • Offenbarung der Erfindung
  • Technische Probleme
  • Wie oben beschrieben, wird der Betriebspunkt der Brennstoffzelle eingestellt, während Stellen nahe dem OCV vermieden werden. Da die Brennstoffzelle hier keine sekundäre Batterie ist, wird gewöhnlich eine Hochspannungsbatterievorrichtung zusammen mit der Brennstoffzelle in Vorbereitung auf eine Lastschwankung, usw. verwendet. Die Batterievorrichtung und die Brennstoffzelle sind miteinander parallel verbunden bzw. geschaltet und die Verteilung der jeweiligen Leistung wird entsprechend dem Leistungsbedarf einer Last ausgeführt. Wenn beispielsweise ausreichende Leistung, um die Lastanforderung zu erfüllen, nicht nur durch die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle zugeführt werden kann, wird die Batterievorrichtung entladen, um Leistung entsprechend dem Defizit zu liefern. Andererseits wird, wenn die Ladung der Batterievorrichtung niedrig ist, zusätzliche Leistung, jenseits der aktuell erforderlichen Last, durch die Brennstoffzelle erzeugt und der Batterievorrichtung zugeführt, um sie wieder aufzuladen.
  • Zusätzlich wird die Ausgabeleistung der Batterievorrichtung bei niedrigen Temperaturen abgesenkt, und die Leistungsspeicherfähigkeit der Batterievorrichtung wird auch verringert. Dementsprechend wird, wenn die Außenlufttemperatur auf einem bestimmten Niveau einer niedrigen Temperatur ist, die Steuerung ausgeführt, um die Temperatur der Batterievorrichtung zu erhöhen. Beispielsweise wird die Batterievorrichtung gesteuert, um zwangsweises Laden und Entladen zu wiederholen. Mit der Wiederholung der zwangsweisen Ladung und Entladung nimmt die Temperatur der Batterievorrichtung schrittweise zu, wie wenn sie in Betrieb wäre.
  • Wie oben beschrieben, falls die Einstellung der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle ausgeführt wird, während der Bereich nahe dem OCV bei der zwangsweisen Entladung der Batterievorrichtung zu dem Zweck die Steuerung aufzuwärmen, vermieden wird, wird der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle einen beträchtlich hohen Wert haben. Folglich wird, selbst wenn es notwendig ist, die Batterievorrichtung zu entladen, die Batterievorrichtung durch den Ausgangsstrom der Brennstoffzelle geladen. Insbesondere entsteht dabei ein Problem, dass die zwangsweise Entladung der Batterievorrichtung unzureichend wird, und viel Zeit benötigt wird, um die Batterievorrichtung aufzuwärmen.
  • Unter Betrachtung des obigen stellt die vorliegende Erfindung ein vorteilhaftes Leistungsversorgungs-Steuerverfahren bereit, welches fähig ist, eine Leistungsversorgungsschaltung, die eine Brennstoffzelle und eine Batterievorrichtung umfasst, zu steuern, um die Batterievorrichtung aufzuwärmen.
  • Lösung der Probleme
  • Nach der vorliegenden Erfindung ist ein Leistungsversorgungs-Steuerverfahren vorgesehen, welches eine Leistungsverteilung zwischen einer Batterievorrichtung und einer Brennstoffzelle ausführt, um eine Sollausgangsspannung der Brennstoffzelle entsprechend einer erforderlichen Leistung, die zur Brennstoffzelle verteilt wird, einzustellen; die Sollausgangsspannung mit einem als Vermeidungsspannungsbereich eingestellten Spannungsbereich zwischen einer Leerlaufspannung der Brennstoffzelle und einer vorbestimmten oberen Grenzschwellenspannung, die niedriger ist als die Leerlaufspannung, einstellt; entscheidet, ob sich die Batterievorrichtung unter einer Aufwärmsteuerung mittels zwangsweiser Ladung oder Entladung befindet oder nicht; und, wenn bestimmt wird, dass die Batterievorrichtung unter der Aufwärmsteuerung ist, die Sollausgangsspannung innerhalb eines Bereiches, der den Vermeidungsspannungsbereich umfasst, einstellt.
  • Bei einem Leistungsversorgungs-Steuerverfahren nach der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise ein einstellbarer Bereich zu dem Entladezeitpunkt, innerhalb dem die Sollausgangsspannung während der zwangsweisen Entladung der Batterievorrichtung eingestellt werden kann, anders eingestellt als ein einstellbarer Bereich zu dem Ladezeitpunkt, innerhalb dem die Sollausgangsspannung während der zwangsweisen Ladung der Batterievorrichtung eingestellt werden kann.
  • Bei einem Leistungsversorgungs-Steuerverfahren nach der vorliegenden Erfindung wird ferner vorzugsweise der einstellbare Bereich bei dem Entladezeitpunkt zwischen der Leerlaufspannung und einer vorbestimmten Entladezeitschwellen-Untergrenzspannung eingestellt, die kleiner ist als die Leerlaufspannung und gleich zu oder größer ist als die obere Grenzschwellenspannung, und der einstellbare Bereich bei dem Ladezeitpunkt wird zu einer Spannung eingestellt, die gleich zu oder geringer ist als die obere Grenzschwellenspannung.
  • Bei dem Leistungsversorgungs-Steuerverfahren nach der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise weiter ein zwangsweises Lade- und Entladesteuern in Abhängigkeit von einer Temperatur der Batterievorrichtung oder einem Ladezustand der Batterievorrichtung ausgeführt.
  • Vorteilhafte Effekte der Erfindung
  • Mit der obigen Anordnung ist ein Leistungsversorgungs-Steuerverfahren nach der vorliegenden Erfindung fähig, die Sollausgangsspannung einzustellen, um einen Spannungsvermeidungsbereich, der zwischen der Leerlaufspannung (OCV) der Brennstoffzelle und einer vorbestimmten oberen Grenzschwellenspannung, die voreingestellt worden ist, um niedriger als die Leerlaufspannung zu sein, zu vermeiden. Wenn basierend auf der Festlegung, ob die Batterievorrichtung unter einer Aufwärmsteuerung durch zwangsweises Laden und Entladen ist oder nicht, festgestellt wird, dass die Batterievorrichtung unter einer Aufwärmsteuerung ist, kann das Leistungsversorgungs-Steuerverfahren die Sollausgangsspannung innerhalb des Bereichs, der den Spannungsvermeidungsbereich umfasst, einstellen. In dem Spannungsvermeidungsbereich, in dem der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 0 oder ein kleiner Wert ist, ist es möglich, das Laden der Batterievorrichtung zu verbieten, während die Batterievorrichtung zwangsweise entladen wird, so dass es der Batterievorrichtung ermöglicht wird, schnell aufgewärmt zu werden.
  • Ferner wird bei dem Leistungsversorgungs-Steuerverfahren der einstellbare Bereich zur Zeit des Entladens, der ein Bereich ist, in dem die Sollausgangsspannung eingestellt werden kann, wenn die Batterievorrichtung zwangsweise entladen wird, derart eingestellt, dass er sich von dem einstellbaren Bereich zur Zeit des Ladens unterscheidet, der ein Bereich ist, in den die Sollausgangsspannung eingestellt werden kann, wenn die Batterievorrichtung zwangsweise geladen wird. Daher ist es möglich, den Ausgangsstrom der Brennstoffzelle zwischen wenn das zwangsweise Entladen ausgeführt wird und wenn das zwangsweise Laden ausgeführt wird zu variieren. Folglich kann die Ausgangsspannung zur Zeit des Entladens derart eingestellt werden, um das Entladen zu beschleunigen, und die Ausgangsspannung kann zur Zeit des Ladens, die sich von der Ausgangsspannung zur Zeit des Entladens unterscheidet, derart eingestellt werden, um das Laden zu beschleunigen.
  • Auch wird bei dem Leistungsversorgungs-Steuerverfahren der einstellbare Bereich zur Zeit des Entladens eingestellt, um zwischen der Leerlaufspannung und der vorbestimmten voreingestellten Entladezeitschwellen-Untergrenzspannung zu sein, um eine Spannung zu sein, die niedriger als die Leerlaufspannung und die gleich zu oder größer als die obere Grenzschwellenspannung ist, und der einstellbare Bereich zur Zeit des Ladens ist eingestellt, um eine Spannung zu sein, die gleich zu oder die geringer ist als die obere Grenzschwellenspannung. Daher kann der einstellbare Bereich zur Zeit des Entladens eingestellt werden, um größer zu sein als der einstellbare Bereich zur Zeit des Ladens, so dass der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle ein kleinerer Wert sein kann, möglicherweise sogar 0, während dem zwangsweisen Entladung, und ein genügend großer Wert sein kann, während der zwangsweisen Ladung.
  • Außerdem ist es bei dem Leistungsversorgungs-Steuerverfahren möglich, beispielsweise die zwangsweise Lade- und Entladesteuerung, d.h. Freigabe der OCV-Vermeidungssteuerung, nur bei einer vorbestimmten geringen Temperatur durchzuführen, während die zwangsweise Ladung und Entladung in Abhängigkeit von der Temperatur der Batterievorrichtung durchgeführt wird, um damit beispielsweise die Verschlechterung der Brennstoffzelle zu minimieren.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine Ansicht, die einen Aufbau eines Antriebssystems für ein Brennstoffzellen-ausgerüstetes-Fahrzeug mit einer Leistungsversorgungs-Steuervorrichtung zeigt, die ein Leistungsversorgungs-Steuerverfahren nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausführt;
    • 2 ist ein Flussdiagramm, das den Ablauf einer Leistungsversorgungssteuerung, insbesondere den Ablauf einer BZ-Ausgangsspannungseinstellung, wenn die Batterievorrichtung unter einer Aufwärmsteuerung nach der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, zeigt;
    • 3 ist eine Ansicht, die eine I-U-Kennlinie der Brennstoffzelle und den Bereich der Ausgangsspannungseinstellung nach der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, zeigt; und
    • 4 ist eine Ansicht, die eine Veränderung jedes einzelnen Elements, wenn die Batterievorrichtung unter einer Aufwärmsteuerung nach der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, zeigt.
  • Bezugszeichenliste
  • 10: Antriebssystem eines Brennstoffzellen ausgerüsteten Fahrzeugs, 12: Inverter, 14: rotierende elektrische Maschine, 20: Leistungsversorgungsschaltung, 22: Batterievorrichtung, 24: Spannungswandler, 26: Brennstoffzelle, 28: Batterietemperatur, 30: Brennstoffzelle, 40: Leistungsversorgungs-Steuervorrichtung, 42: BZ-Ausgangsspannungs-Einstellmodul, 44: OCV-Vermeidungsmodul, 46: Batterieaufwärm- Steuerbestimmungsmodul, 48: OCV-Vermeidungsfreigabemodul.
  • Beste Art und Weise der Ausführung der Erfindung
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf die Figuren beschrieben. Während in dem folgenden Beispiel die vorliegende Erfindung auf ein Fahrzeugantriebssystem, in dem eine Brennstoffzelle und eine rotierende elektrische Maschine installiert sind, angewandt wird, kann die vorliegende Erfindung auch in anderen Systemen angewandt werden, so lange wie derartige Systeme eine Leistungsversorgungsschaltung umfassen, die eine Brennstoffzelle und eine Batterievorrichtung umfasst. Beispielsweise ist es nicht notwendig, dass eine als Last dienende rotierende elektrische Maschine bereitgestellt wird, und die Last kann eine elektrische Vorrichtung anders als die rotierende elektrische Maschine sein, wie eine zusätzliche Maschine, die mit einer hohen Spannung arbeitet.
  • Während ferner der Aufbau, der eine Hochspannungs-Batterievorrichtung, eine Brennstoffzelle und einen Spannungswandler umfasst, als eine Leistungsversorgungsschaltung beschrieben wird, kann die Leistungsversorgungsschaltung andere Elemente umfassen. Beispielsweise kann ein Systemhauptrelais, eine Niederspannungsbatterie, ein Niederspannungsbetriebs-DC/DC-wandler, ein glättender Kondensator, usw. inbegriffen sein. Außerdem sind Werte, wie jeder Leistungswert, der in den folgenden Beispielen verwendet wird, nur Beispiele für die Erklärung und können andere Werte sein.
  • 1 zeigt eine Ansicht, die einen Aufbau eines Brennstoffzellen-ausgerüsteten-Fahrzeugantriebssystems 10, das eine Leistungsversorgungs-Steuervorrichtung 40 umfasst, zeigt. Das Brennstoffzellen-ausgerüstete-Fahrzeugantriebssystem 10 ist ein System zum Antrieb und zur Steuerung einer rotierenden elektrischen Maschine 14, die in einem Fahrzeug installiert ist, und einen Inverter 12, der mit der rotierenden elektrischen Maschine 14 verbunden ist, eine Leistungsversorgungsschaltung 20 mit einer Batterievorrichtung 22, ein Spannungswandler 24, eine Brennstoffzelle 26, und eine Leistungsversorgungs-Steuervorrichtung 40 zur Steuerung der Leistungsversorgungsschaltung 20 umfasst.
  • In diesem Beispiel ist die rotierende elektrische Maschine 14 ein Motor-Generator (M/G), der in einem Fahrzeug installiert ist, und diese ist eine Dreiphasensynchronrotierende-elektrische-Maschine, die als Motor fungiert, wenn eine elektrische Leistung zugeführt wird, und die als Generator fungiert, wenn Bremsen ausgeführt wird.
  • Der Inverter 12 ist eine Schaltung mit einer Umwandlungsfunktion von Hochspannungs-Gleichstromleistung zu Wechselstrom-Dreiphasen-Antriebsleistung und den mit einer Zuführung des umgewandelten Strom zu der rotierenden elektrischen Maschine 14 und mit einer Umwandlungsfunktion von Wechselstrom-Dreiphasen-Regenerierungsleistung zu Hochspannungs-Gleichstrom-Ladeleistung, unter Steuerung der Leistungsversorgungs-Steuervorrichtung 40. Solch ein Inverter 12 kann aus einer Schaltung, die ein Schaltelement umfasst, einer Diode, usw. ausgebildet sein.
  • Die Batterievorrichtung 22 in der Batterievorrichtungsschaltung 20 ist eine aufladbare und entladbare Hochspannungssekundärbatterie, die mit der Brennstoffzelle 26 mittels des Spannungswandlers 24 verbunden ist, und die eine Funktion hat, die der Veränderungen der Last entspricht, wie der Inverter 12, die rotierende elektrische Maschine 14, usw. Daher kann eine Batterievorrichtung 22, ein Lithium-Ionen-Batteriesatz oder ein Nickel-Metallhydrid-Batteriesatz oder ein Kondensator oder Ähnliches verwendet werden. Da die Batterievorrichtung 22 gewöhnlich als Batterie bezeichnet wird, wird in der folgenden Beschreibung der Ausdruck „Batterie“ auf eine Batterievorrichtung bezogen.
  • Die Ausgangsspannung, der Ausgangsstrom, die Speicherfähigkeit, usw. der Batterievorrichtung 22 variieren in Abhängigkeit von der Temperatur der Batterie 22. Dementsprechend wird die gemessene Temperatur der Batterievorrichtung 22 als die Batterietemperatur 28 zu der Leistungsversorgungs-Steuervorrichtung 40 übermittelt. Ferner wird auch der SOC (Ladezustand), der ein Ladezustand der Batterievorrichtung 22 ist, der Leistungsversorgungs-Steuervorrichtung 40 übermittelt.
  • Der Spannungswandler 24 ist eine Schaltung, die zwischen der Batterievorrichtung 22 und der Brennstoffzelle 26 angeordnet ist. Wenn beispielsweise die Leistung der Brennstoffzelle 26 nicht ausreicht, wird Leistung von der Seite der Batterievorrichtung 22 durch den Spannungswandler 24 zu der Last zugeführt, und, wenn die Batterievorrichtung 22 geladen wird, wird die Leistung der Batterievorrichtung 22 von der Seite der Brennstoffzelle 26 durch den Spannungswandler 24 zugeführt. Daher kann ein Spannungswandler 24 einen bidirektionaler Wandler, der eine Drossel bzw. einen Reaktor umfasst, verwendet werden.
  • Die Brennstoffzelle 26 ist eine Art von Batteriesatz, der durch eine Kombination einer Mehrzahl von Brennstoffzellen derart ausgebildet ist, dass erzeugte Leistung mit einer hohen Spannung von etwa 200V bis etwa 400V extrahiert werden kann, und als Brennstoffzellenstapel bezeichnet wird. Hier hat jede Brennstoffzelle eine Funktion zur Gewinnung notwendiger Leistung, aufgrund elektrochemischer Reaktion durch eine Elektrolytmembran, die eine Festpolymermembran ist, wenn Wasserstoff als Brenngas der Anodenseite zugeführt wird und Luft als Oxidationsgas der Kathodenseite zugeführt wird. Die I-V bzw. I-U-Kennlinien, die die Ausgangscharakteristik der Brennstoffzelle 26 ist, wird unten ausführlich beschrieben. Die Brennstoffzelle kann als BZ (Brennstoffzelle) abgekürzt werden. Dementsprechend wird sich in der folgenden Beschreibung der Ausdruck „BZ“ auf eine Brennstoffzelle beziehen.
  • Die Leistungsversorgungs-Steuervorrichtung 40 hat eine Steuerfunktion des Inverterbetriebs 12 und jedes Element bildet die Leistungsversorgungsschaltung 20 aus, und hat insbesondere in diesem Beispiel eine Funktion zum angemessenen Durchführen einer Einstellung eines Betriebspunkts der Brennstoffzelle 26, so dass die Aufwärmsteuerung der Batterievorrichtung 22 schnell ausgeführt werden kann. Solch eine Leistungsversorgungs-Steuervorrichtung 40 kann aus einer elektrischen Steuereinheit (ECU), die passend auf einem Fahrzeug bereitgestellt ist, ausgebildet werden. Insbesondere kann die Leistungsversorgungs-Steuervorrichtung 40 aus einem Computer oder Ähnlichem, das passend auf einem Fahrzeug bereitgestellt ist, ausgebildet werden.
  • Die Leistungsversorgungs-Steuervorrichtung 40 umfasst ein BZ-Ausgangsspannungs-Einstellmodul 42 für die Einstellung der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle, ein OCV-Vermeidungsmodul 44 zur Vermeidung der Spannung um den OCV herum zur Zeit des Einstellens der BZ-Ausgangsspannung, ein Batterieaufwärm-Steuerbestimmmodul 46 zur Festlegung, ob die Batterievorrichtung 22 unter eine Aufwärmsteuerung ist oder nicht, und ein OCV-Vermeidungsfreigabemodul 48 zur Freigabe der OCV-Vermeidung, wenn die Batterievorrichtung 22 unter eine Aufwärmsteuerung ist. Die Funktionen können mit einer Software und insbesondere mit Ausführung eines BZ-Ausgangsspannungs-Einstellprogramms in einem Leistungsversorgungs-Steuerprogramm umgesetzt werden. Alternativ können einige Abschnitte von diesen Funktionen mit Hardware umgesetzt werden.
  • Der Betrieb eines Systems mit dem obigen Aufbau, insbesondere jede der Funktionen der Leistungsversorgungs-Steuervorrichtung 40, wird ausführlich mit Bezug auf das Flussdiagramm in 2 und 3 und 4 beschrieben. In der folgenden Beschreibung werden die Bezugszeichen in 1 verwendet. 2 ist ein Flussdiagramm, das den Ablauf der Leistungsversorgungssteuerung und insbesondere den Ablauf der BZ-Ausgangsspannungssteuerung, wenn die Batterievorrichtung 22 unter einer Aufwärmsteuerung ist, zeigt. 3 zeigt eine Ansicht, die die I-U-Kennlinie oder I-U-Kurve der Brennstoffzelle 26 zeigt. 4 zeigt eine Ansicht, die eine Veränderung jedes Elements, wenn die Batterievorrichtung 22 unter einer Aufwärmsteuerung ist, zeigt.
  • Wie in 2 gezeigt, wird in der Leistungsversorgungsteuerung die erforderliche Leistungsgröße basierend auf dem Betriebspunkt der rotierenden elektrischen Maschine 14 (S10) gewöhnlich zu der Leistungsversorgungs-Steuervorrichtung 40 übermitteln. Beispielsweise wird ein Wert von P(kW) oder Ähnlichem als die erforderliche Leistung übermittelt. Anschließend wird ein Betriebspunkt der Brennstoffzelle 26 entsprechend der erforderlichen Leistung eingestellt. Die Vorgänge bis zu diesem Punkt sind mit der Funktion des BZ-Ausgangsspannungs-Einstellmodul 42 umgesetzt. Im Fall eines normalem BZ-Betriebszustands wird die Ausgangsspannung, während Spannungen nahe dem OCV vermieden werden, eingestellt. Dieser Vorgang wird mit der Funktion des OCV-Vermeidungsmoduls 44 umgesetzt.
  • 3 zeigt, als Ausgangscharakteristik der Brennstoffzelle 26, eine I-U-Kurve, in der die horizontale Achse den Ausgangsstrom I darstellt und die vertikale Achse die Ausgangsspannung U darstellt. Wie in 3 gezeigt, ist in der I-U-Kurve der Brennstoffzelle 26 die Leerlaufspannung (OCV), die eine Spannung ist, wenn der Strom 0 ist, die maximale Spannung, und nachfolgend sinkt mit Zunahme des Stroms der Spannungswert steil und stabilisiert sich dann im Wesentlichen bei einem festen Wert. Mit der weiteren Zunahme des Stromwerts wird anschließend der Spannungswert erneut steil absinken und schließlich bis 0 absinken.
  • Wie oben in der I-U-Kurve der Brennstoffzelle 26 beschrieben, während sich die Ausgangsspannung in dem Bereich, in dem der Stromwert klein ist, und dem Bereich, in dem der Stromwert groß ist, steil ändert, ist die Veränderung der Ausgangsspannung hinsichtlich der Veränderung des Stroms relativ klein und deshalb ist die Ausgangsspannung im Wesentlichen fix in einem Bereich zwischen dem Bereich, in dem der Stromwert klein ist, und dem Bereich, in dem der Stromwert groß ist. Solch eine steile Veränderung in der Ausgangsspannung basiert auf der elektrochemischen Reaktion der Brennstoffzelle 26 und, falls die Brennstoffzelle 26 bei einer Spannung nahe dem OCV verwendet wird, könnte sich beispielsweise die Brennstoffzelle 26 verschlechtern. Um diesen Nachteil abzuschwächen, ist es wünschenswert, dass der Einsatz der Brennstoffzelle 26 auf den schraffierten Bereich, der in 3 gezeigt wird, beschränkt wird. In 3 wird eine Linie gezeigt, wenn die erforderliche Leistung P fixiert wird, und ein Schnittpunkt von dieser Linie stellt die erforderliche Leistung P dar, und die I-U-Kurve der Brennstoffzelle 26 entspricht einen Betriebspunkt der Brennstoffzelle 26 zum Ausgeben der erforderlichen Leistung P.
  • Da es wünschenswert ist, dass die Spannung nahe dem OCV vermieden wird, wenn der Betriebspunkt der Brennstoffzelle 26 wie oben beschrieben eingestellt wird, wird eine obere Grenzschwellenspannung U1, die die obere Grenze ist, bei der Einstellung der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 26 definiert. Die Grenzschwellenspannung U1 entspricht dem oberen Grenzspannungswert, der eingestellt werden soll, wenn die Ausgangsspannung als der Betriebspunkt der Brennstoffzelle 26 eingestellt wird. Der obere Grenzschwellenwert U1 ist geringer als der OCV und kann nach der I-U-Kurve der Brennstoffzelle 26, usw. voreingestellt werden. Der Bereich zwischen dem OCV und dem oberen Grenzschwellenwert U1 entspricht dem Vermeidungsspanungsbereich, der zu vermeiden ist, wenn die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 26 eingestellt ist.
  • Unter erneuter Bezugnahme auf 2 ist in dem normalen Betriebszustand der Brennstoffzelle 26 die Ausgangsspannung derart eingestellt, dass der Vermeidungsspannungsbereich nahe dem OCV vermieden wird, wie in Schritt S12 und 14. Hier wird zuerst festgelegt, ob die Batterievorrichtung 22 unter einer Aufwärmsteuerung ist oder nicht (S14). Dieser Vorgang wird durch die Funktion der Batterieaufwärm-Steuerbestimmmoduls 26 ausgeführt. Wenn beispielsweise die Außenluft bei einer geringen Temperatur ist, ist die Temperatur der Batterievorrichtung 22 ebenfalls gering und deshalb sind die Ausgangsspannung und der Ausgangsstrom der Batterievorrichtung 22 gesenkt und die Speicherfähigkeit ist ebenfalls abgesenkt. Dementsprechend führt die Leistungsversorgungs-Steuervorrichtung 40, wenn die Batterietemperatur 28 eine voreingestellte Temperatur oder geringer ist, die Aufwärmsteuerung aus, so dass die Temperatur der Batterievorrichtung 22 ansteigt. In diesem Beispiel werden keine besonderen Erwärmungsvorrichtungen verwendet, und zwangsweises Laden und Entladen wird hinsichtlich der Batterievorrichtung 22 wiederholt. Folglich ist die Batterievorrichtung 22 in Betrieb und deren Temperatur ist angestiegen.
  • Die Aufwärmsteuerung der Batterievorrichtung 22 wird ausgeführt unter Berücksichtigung des SOC 30 zusätzlich zu der Batterietemperatur 28. Beispielsweise wird die Aufwärmsteuerung gestartet, wenn die Batterietemperatur 28 auf eine erste Temperatur oder weniger abgesunken ist, und zwangsweises Entladen wird ausgeführt, wenn der SOC 30 ein erster Schwellwert oder höher ist, zwangsweises Laden wird ausgeführt, wenn der SOC 30 niedriger ist als ein zweiter Schwellwert, der niedriger ist als der erste Schwellwert, und die Aufwärmsteuerung wird angehalten, wenn die Batterietemperatur 28 angestiegen ist, um eine zweite Temperatur, die geringfügig höher als die erste Temperatur ist, zu erreichen.
  • Die Festlegung der Aufwärmsteuerung in Schritt S14 kann ausgeführt werden durch Festlegen, ob ein Steuerbefehl zum Ausführen der Aufwärmsteuerung, der von der Leistungsversorgungs-Steuervorrichtung 40 der Leistungsversorgungsschaltung 20 zugeführt wird, ausgegeben wird oder nicht. Laden und Entladen wird hinsichtlich der Batterievorrichtung 22 mit der Durchführsteuerung ausgeführt, um die Richtung des Stroms in dem Spannungswandler 24 zu ändern. Die Veränderung in der Richtung des Stroms in dem Spannungswandler 24 kann durch Änderung der Betätigung der Mehrzahl der Schaltelemente, die den Spannungswandler 24 zusammensetzen, ausgeführt werden.
  • Falls in Schritt S14 festgestellt wird, dass die Batterievorrichtung 22 nicht unter einer Aufwärmsteuerung 26 ist, kann davon ausgegangen werden, dass die Brennstoffzelle 26 in einem normalen Betriebszustand ist. Folglich kehrt der Vorgang zu den Schritten S10 und S12 zurück, und die Einstellung der Ausgangsspannung der Batterie 22 wird hinsichtlich der erforderlichen Leistung in einer solchen Weise ausgeführt, um den Vermeidungsspannungsbereich zu vermeiden.
  • Falls in Schritt S14 festgestellt wird, dass die Batterievorrichtung 22 unter einer Aufwärmsteuerung ist, wird anschließend weiter festgestellt, ob die Batterievorrichtung 22 entladen wird (S16) oder nicht. In diesem Vorgang wird eine Unterscheidung ob die Batterievorrichtung 22 entladen (S18) oder geladen (S20) wird, gemacht. Diese Bestimmung kann durch Feststellen gemacht werden, ob der Inhalt des Steuerbefehls, um die Aufwärmsteuerung, die von der Leistungsversorgungs-Steuervorrichtung 40 zu der Leistungsversorgungsschaltung zugeführt wird, auszuführen, eine Anweisung von zwangsweisen Entladen oder eine Anweisung von zwangsweisen Laden ist. Beispielsweise ist es möglich, festzustellen, ob die Batterievorrichtung 22 zu einem besondern Zeitpunkt entladen oder geladen wird, durch vergleichen der Signale, die auf die Mehrzahl der Schaltelemente, die den Spannungswandler 24 zusammensetzen, angewandt werden. Alternativ kann eine solche Bestimmung durch detektieren der Richtung des Stroms in dem Spannungswandler 24 mit einer angemessenen Stromdetektionseinheit gemacht werden.
  • Wenn die Batterievorrichtung 22 zwangsweise entladen wird, wird die Einstellung der BZ-Ausgangsspannung in dem Bereich mit der oberen Grenzschwellenspannung U1 oder größer (S22) ausgeführt. Insbesondere wird eine Entladezeit-Obergrenzspannung U2 zwischen dem OCV und U2 eingestellt, und der Bereich zwischen U2 und dem OCV wird auf einen einstellbaren Bereich bei einem Entladezeitpunkt, wie in 3 gezeigt, eingestellt.
  • Wenn die Batterievorrichtung 22 zwangsweise geladen wird, wird die BZ-Ausgangsspannung auf einen Wert in dem Bereich mit dem oberen Grenzschwellenwert U1 oder weniger eingestellt (S24). Insbesondere wird der einstellbare Bereich zur Zeit des Ladens auf U2 oder weniger eingestellt. Obwohl dieses das gleiche ist, wie die Ausgangsspannung-Einstellbedingung zur Zeit des normalen Betriebszustandes der Brennstoffzelle 26, wird der Betriebspunkt nicht nach der erforderlichen Leistung P definiert, und die Ausgangsspannung wird innerhalb des Bereichs, in dem der Wert des Ausgangsstroms groß sein kann eingestellt, um schnelles Laden zu erreichen.
  • 4 ist eine Ansicht, die die Veränderung über die Zeit des Zustands jedes einzelnen Elements erläutert, wenn die Batterievorrichtung 22 unter einer Aufwärmsteuerung ist. In 4 stellt die horizontale Achse die Zeit dar und die vertikale Achse zeigt sequentiell von oben nach unten in dieser Reihenfolge die Batterieleistung, die Batteriespannung, den SOC, die Batterietemperatur und die BZ-Ausgangsspannung. Hier ist die Batterieleistung die Leistung, die von der Batterievorrichtung 22 nach außen geführt wird.
  • In 4 stellt der ganz linke Abschnitt den normalen Betriebszustand der Brennstoffzelle 26 dar, nämlich einen Zustand, in dem die Aufwärmsteuerung der Batterievorrichtung 22 nicht ausgeführt wird. In diesem Zustand wird die BZ-Ausgangsspannung in dem Bereich mit U1 oder niedriger eingestellt. Dies wird in 4 als schraffierter Bereich gezeigt. Ähnlich stellt der schraffierte Bereich betreffend jeden Abschnitt der BZ-Ausgangsspannung einen Bereich dar, in dem die Ausgangsspannung bei dem entsprechenden Zeitpunkt eingestellt werden kann.
  • In 4 zeigen die Abschnitte, anders als der ganz linke Abschnitt, einen Zustand, in dem die Batterievorrichtung 22 unter der Aufwärmsteuerung ist. Konkret zeigen diese Abschnitte, dass zwangsweises Entladen und zwangsweises Laden abwechselnd wiederholt werden, und dass die Batterietemperatur schrittweise ansteigt, während Laden und Entladen wiederholt wird.
  • Während dieser Perioden in 4, in denen zwangsweises Entladen ausgeführt wird, wird die nach außen geführte Batterieleistung verringert, die Batteriespannung wird verringert, und der SOC wird verringert. Hier wird die BZ-Ausgangsspannung in einem Bereich des einstellbaren Bereichs zur Zeit des Entladens eingestellt, der die OCV oder weniger ist und U2 oder größer ist. Wie aus 3 verstanden werden kann, ist in diesem einstellbaren Bereich zu dem Entladezeitpunkt, der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 26 kleiner als der in dem normalen Betriebszustand der Brennstoffzelle 26. Falls beispielsweise die BZ-Ausgangsspannung auf eine Spannung nahe dem OCV eingestellt wird, kann der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 26 im Wesentlichen 0 sein. Daher ist es möglich, die Unterdrückung des Stroms, der in die Batterievorrichtung 22 von der Brennstoffzelle 26 fließen könnte, um die Batterievorrichtung 22 aufgrund der Verringerung der Batteriespannung der Batterievorrichtung 22 zu laden, zu maximieren.
  • Die zwangsweise Entladung wird unterbrochen, wenn der SOC auf einen vorbestimmten Wert verringert wird, und wird anschließend zu zwangsweisen Laden verändert.
  • In 4, während des Zeitraums, in dem das zwangsweise Laden ausgeführt wird, wird die Batterieleistung, die nach außen geführt wird, verringert, die Batteriespannung wird erhöht und der SOC wird erhöht. Hier wird die BZ-Ausgangsspannung in dem Bereich des einstellbaren Bereichs bei dem Ladezeitpunkt, der U1 oder geringer ist, eingestellt. In diesem Fall, da U1 der obere Grenzwert ist, kann die BZ-Ausgangsspannung auf jede passende Spannung, die U1 oder geringer ist, eingestellt werden. Um dementsprechend das Laden schnell auszuführen, ist es wünschenswert, dass die BZ-Ausgangsspannung verringert wird, um den Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 26 zu erhöhen.
  • Die zwangsweise Ladung wird unterbrochen, wenn der SOC zu einem vorbestimmten Wert angestiegen ist, und wird anschließend zu zwangsweisen Entladen geändert. Mit der so abwechselnden Wiederholung der zwangsweisen Ladung und der zwangsweisen Entladung wird die Batterietemperatur schrittweise ansteigen. Wie in 2 gezeigt, wird, während der Wiederholung der zwangsweisen Entladung (S18, S22) und der zwangsweisen Ladung (S20, S24), kontinuierlich beobachtet, ob die Aufwärmsteuerung ausgeführt wird oder nicht. Wenn die Aufwärmsteuerung ausgeführt wird, werden die Schritte in S16, S18, S20, S22 und S24 wiederholt, und, wenn die Aufwärmsteuerung beendet wird, kehren die Vorgänge zu Schritt S10 zurück, bei dem die normale Betriebssteuerung der Brennstoffzelle 26 ausgeführt wird.
  • Wie oben beschrieben, wird die OCV-Vermeidungssteuerung während der Aufwärmsteuerung der Batterievorrichtung 22 freigegeben, so dass die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 26 auf Werte eingestellt werden kann, die in dem Vermeidungsspannungsbereich umfasst sind. Folglich ist es möglich, den Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 26, während der zwangsweisen Entladung, und den Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 26, während der zwangsweisen Ladung, zu unterdrücken, wobei es möglich ist die Batterievorrichtung 22 schneller aufzuwärmen.

Claims (4)

  1. Leistungsversorgungs-Steuerverfahren, aufweisend: Ausführen einer Leistungsverteilung zwischen einer Batterievorrichtung (22) und einer Brennstoffzelle (26), um eine Sollausgangsspannung der Brennstoffzelle (26) entsprechend einer erforderlichen Leistung (P), die zur Brennstoffzelle (26) verteilt wird, einzustellen; Einstellen der Sollausgangsspannung mit einem als Vermeidungsspannungsbereich eingestellten Spannungsbereich zwischen einer Leerlaufspannung (OCV) der Brennstoffzelle (26) und einer vorbestimmten oberen Grenzschwellenspannung (U1), die niedriger ist als die Leerlaufspannung (OCV); Entscheiden, ob sich die Batterievorrichtung (22) unter einer Aufwärmsteuerung mittels zwangsweiser Ladung oder Entladung befindet oder nicht; und Einstellen der Sollausgangsspannung innerhalb eines Bereichs, der den Vermeidungsspannungsbereich umfasst, wenn bestimmt wird, dass sich die Batterievorrichtung (22) unter der Aufwärmsteuerung befindet.
  2. Leistungsversorgungs-Steuerverfahren nach Anspruch 1, wobei ein einstellbarer Bereich zur Zeit des Entladens, innerhalb dem die Sollausgangsspannung während der zwangsweisen Entladung der Batterievorrichtung (22) eingestellt werden kann, anders eingestellt wird als ein einstellbarer Bereich zur Zeit des Ladens, innerhalb dem die Sollausgangsspannung während der zwangsweisen Ladung der Batterievorrichtung (22) eingestellt werden kann.
  3. Leistungsversorgungs-Steuerverfahren nach Anspruch 2, wobei der einstellbare Bereich zur Zeit des Entladens zwischen der Leerlaufspannung (OCV) und einer vorbestimmten Entladezeitschwellen-Untergrenzspannung (U2) eingestellt wird, die kleiner ist als die Leerlaufspannung (OCV) und die gleich zu oder größer ist als die obere Grenzschwellenspannung (U1), und der einstellbare Bereich zur Zeit des Ladens auf eine Spannung eingestellt wird, die gleich zu oder geringer ist als die obere Grenzschwellenspannung (U1).
  4. Leistungsversorgungs-Steuerverfahren nach Anspruch 1, aufweisend: Ausführen eines zwangsweisen Lade- und Entladesteuerns in Abhängigkeit von einer Temperatur der Batterievorrichtung (22) oder einem Ladezustand der Batterievorrichtung (22).
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