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Technisches Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Leistungsversorgungs-Steuerschaltung
und insbesondere eine Leistungsversorgungs-Steuereinheit, die einen
Betrieb einer Leistungsversorgung, die eine Batterievorrichtung
und eine Brennstoffzelle umfasst, steuert.
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Hintergrund der Erfindung
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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.
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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.
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Beispielsweise
zeigt die japanische Offenlegungsschrift
JP 2007-5038 A (Patent
Dokument 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, selbst wenn sich der BZ-Leistungsbedarf anschließend
verringert, um unter die Oxidations-Reduktionleistung zu fallen,
wird 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 Patent
Dokument 1, die Vermeidung der Veränderung der BZ-Ausgangsspannung
jeweils des Oxidations-Reduktionspotentials.
- Patent Dokument
1: JP 2007-5038 A
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Offenbarung der Erfindung
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Technische Probleme
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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, wenn die Ladung
der Batterievorrichtung niedrig ist, wird zusätzliche Leistung,
jenseits der aktuell erforderlichen Last, durch die Brennstoffzelle
erzeugt und der Batterievorrichtung zugeführt, um sie wieder
aufzuladen.
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Zusätzlich
wird die Ausgabeleistung der Batterievorrichtung bei niedrigen Temperaturen
abgesenkt, und die Leistungsspeicherfähigkeit der Batterievorrichtung
wird auch verringert. Dementsprechend, wenn die Außenlufttemperatur
auf einem bestimmten Niveau einer niedrigen Temperatur ist, wird 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 sie in Betrieb
wäre.
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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, selbst wenn es notwendig ist, die Batterievorrichtung zu
entladen, wird 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.
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Unter
Betrachtung des obigen, stellt die vorliegende Erfindung eine vorteilhafte
Leistungsversorgungs-Steuervorrichtung bereit, die fähig
ist, eine Leistungsversorgungsschaltung, die eine Brennstoffzelle
und eine Batterievorrichtung umfasst, zu steuern, um die Batterievorrichtung
aufzuwärmen.
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Lösung der Probleme
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Nach
der vorliegenden Erfindung ist eine Leistungsversorgungs-Steuervorrichtung
vorgesehen, die eine Einheit umfasst, die die Leistungsverteilung
zwischen einer Batterievorrichtung und einer Brennstoffzelle ausführt,
um eine Sollausgangsspannung der Brennstoffzelle entsprechend einer
erforderlichen Leistung, die der Brennstoffzelle zugeführt wird,
einzustellen; eine Leerlaufspannungs-Vermeidungseinheit, die, wenn
die Sollausgangsspannung eingestellt wird, die Sollausgangsspannung
mit einem Spannungsbereich zwischen einer Leerlaufspannung der Brennstoffzelle
und einem vorbestimmten oberen Grenzenspannungsschwellwert, der
niedriger ist als die Leerlaufspannung, die als Vermeidungsspannungsbereich
eingestellt wird, einstellt; eine Einheit, die entscheidet, ob die
Batterievorrichtung unter Aufwärmsteuerung mittels zwangsweiser
Ladung oder Entladung ist oder nicht; und eine Leerlaufspannungs-Vermeidungsfreigabeeinheit,
die, wenn bestimmt wird, dass die Batterievorrichtung unter der
Aufwärmsteuerung ist, die Sollausgangsspannung innerhalb
eines Bereiches, der den Vermeidungsspannungsbereich umfasst, einstellen kann.
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In
einer Leistungsversorgungs-Steuervorrichtung nach der vorliegenden
Erfindung macht die Leerlaufspanungs-Vermeidungsfreigabeeinheit
vorzugsweise einen einstellbaren Bereich zu dem Entladezeitpunkt,
innerhalb dem die Sollausgangsspannung während der zwangsweisen
Entladung der Batterievorrichtung eingestellt werden kann, unterschiedlich
zu einem einstellbaren Bereich zu dem Ladezeitpunkt, innerhalb dem
die Sollausgangsspannung während der zwangsweisen Ladung
der Batterievorrichtung eingestellt werden kann.
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In
einer Leistungsversorgungs-Steuervorrichtung nach der vorliegenden
Erfindung stellt auch die Leerlaufspannungs-Vermeidungsfreigabeeinheit vorzugsweise
den einstellbaren Bereich zu dem Entladezeitpunkt zwischen der Leerlaufspannung
und einer vorbestimmten Entladezeitschwellen-Untergrenzspannung
ein, die kleiner ist als die Leerlaufspannung, und gleich zu oder
größer ist als die obere Grenzschwellenspannung,
und stellt den einstellbaren Bereich zu dem Ladezeitpunkt zu einer
Spannung, die gleich zu oder geringer ist als die obere Grenzschwellenspannung,
ein.
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Eine
Leistungsversorgungs-Steuervorrichtung nach der vorliegenden Erfindung
umfasst vorzugsweise weiter eine Batterie-Lade-und-Entladevorichtungseinheit,
die zwangsweises Lade-und Entladesteuern nach einer Temperatur der
Batterievorrichtung oder einem Ladezustand der Batterievorrichtung
ausführt.
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Vorteilhafte Effekte der Erfindung
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Mit
der obigen Anordnung ist eine Leistungsversorgungs-Steuervorrichtung
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 Aufwärmsteuerung durch
zwangsweises Laden und Entladen ist oder nicht, festgestellt wird,
dass die Batterievorrichtung unter Aufwärmsteuerung ist,
kann die Leistungsversorgungs-Steuervorrichtung die Sollausgangsspannung
innerhalb des Bereichs, der den Spannungsvermeidungsbereich umfasst,
eingestellt werden. 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 ist, schnell aufgewärmt
zu werden.
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Ferner
wird in der Leistungsversorgungs-Steuervorrichtung 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 von dem einstellbaren Bereich
zur Zeit des Ladens, der ein Bereich ist, in den die Sollausgangsspannung
gesetzt werden kann, wenn die Batterievorrichtung zwangsweise geladen
wird, abweicht. 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 von der Ausgangsspannung
zur Zeit des Entladens abweicht, derart eingestellt werden, um das
Laden zu beschleunigen.
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Auch
ist in der Leistungsversorgungs-Steuervorrichtung der einstellbare
Bereich zur Zeit des Entladens eingestellt, um zwischen der Leerlaufspannung
und der vorbestimmten Entladezeitschwellen-Untergrenzspannung, die
voreingestellt ist, um eine Spannung, die niedriger als die Leerlaufspannung
und die gleich zu oder größer als die obere Grenzschwellenspannung
ist, zu sein, 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 zwangsweiser Entladung,
und ein genügend großer Wert sein kann, während
der zwangsweisen Ladung.
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Außerdem
ist es in der Leistungsversorgungs-Steuervorrichtung möglich
beispielsweise die zwangsweise Lade-und Entladesteuerung, z. B.: 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.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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1 ist
eine Ansicht, die einen Aufbau eines Antriebssystems für
ein Brennstoffzellen-ausgerüstetes-Fahrzeug, das eine Leistungsversorgungs-Steuervorrichtung
nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst,
zeigt;
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2 ist
ein Flussdiagramm, das den Ablauf einer Leistungsversorgungssteuerung,
insbesondere den Ablauf einer BZ-Ausgangsspannungseinstellung, wenn
die Batterievorrichtung unter Aufwärmsteuerung nach der
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, zeigt;
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3 ist
eine Ansicht, die die I-V-Kennlinie der Brennstoffzelle und den
Bereich der Ausgangsspannungseinstellung nach der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, zeigt; und
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4 ist
eine Ansicht, die eine Veränderung jedes einzelnen Elements,
wenn die Batterievorrichtung unter Aufwärmsteuerung nach
der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, zeigt.
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Bezugszeichen
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- 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.
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Beste Art und Weise der Ausführung
der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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, ein bidirektionaler
Wandler, der Drossel bzw. einen Reaktor umfasst, verwendet werden.
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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 200
V bis etwa 400 V 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.
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Die
Leistungsversorgungs-Steuervorrichtung 40 hat eine Steuerfunktion
des Inverterbetriebs 12 und jedes Element bildet die Leistungsversorgungsschaltung 20 aus,
und insbesondere in diesem Beispiel eine angemessene Durchführeinstellfunktion
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.
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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.
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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 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 Aufwärmsteuerung
ist, zeigt.
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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 übermittelt.
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 von normalem BZ-Betriebszustand wird die Ausgangsspannung, während
Spannungen nahe dem OCV vermieden werden, eingestellt. Dieser Vorgang
wird mit der Funktion des OCV-Vermeidungsmoduls 44 umgesetzt.
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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, mit der Zunahme des Stroms, ist der Spannungswert
steil gesunken und ist dann im Wesentlichen bei einem festen Wert stabilisiert.
Mit der weiteren Zunahme des Stromwerts wird anschließend
der Spannungswert erneut steil absinken und schließlich
bis 0 absinken.
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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, wenn die erforderliche Leistung P fixiert wird, gezeigt,
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.
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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.
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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 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.
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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 zu einer ersten
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.
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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.
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Falls
in Schritt S14 festgestellt wird, dass die Batterievorrichtung 22 nicht
unter 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.
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Falls
in Schritt S14 festgestellt wird, dass die Batterievorrichtung 22 unter
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.
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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 die Entladezeit-Obergrenzspannung U1 zwischen
dem OCV und U1 eingestellt, und der Bereich
zwischen U2 und dem OCV wird in einem einstellbaren
Bereich zu einem Entladezeitpunkt, wie in 3 gezeigt,
eingestellt.
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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 U1 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.
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4 ist
eine Ansicht, die die Veränderung über die Zeit
des Zustands jedes einzelnen Elements, wenn die Batterievorrichtung 22 unter
Aufwärmsteuerung ist, erklärt. 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.
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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 über
jeden Abschnitt der BZ-Ausgangsspannung einen Bereich dar, in dem
die Ausgangsspannung zu dem entsprechenden Zeitpunkt gesetzt werden
kann.
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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 wird, und dass die Batterietemperatur
schrittweise ansteigt während Laden und Entladen wiederholt
wird.
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Während
dieser Perioden in 4, in denen zwangsweises Entladen
ausgeführt wird, wird die Batteriespannung verringert,
und der SOC wird verringert. Hier wird die BZ-Ausgangsspannung in
einem Bereich des einstellbaren Bereichs zur zeit des Entladens
eingestellt, der OCV oder weniger 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.
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Die
zwangsweise Entladung wird unterbrochen, wenn der SOC auf einen
vorbestimmten Wert verringert wird, und wird anschließend
verändert zu zwangsweisen Laden.
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In 4,
während des Zeitraums, in dem die zwangsweise Ladung ausgeführt
wird, wird die Batterieleistung, die nach außen geführt
wird, verringert, die Batteriespannung wird steigen und der SOC
wird verringert. Hier wird die BZ-Ausgangsspannung in dem Bereich
vom einstellbaren Bereich zu dem Ladezeitpunkt, der U1 oder
geringer ist, eingestellt. In diesem Fall, da U1 der
obere Grenzwert ist, kann die Ausgangsspannung auf jede passenden
Spannung, die U1 oder geringer ist, eingestellt
werden. Um dementsprechend das Laden schnell auszuführen,
ist es wünschenswert, dass die BZ-Ausgangsspannung zu dem
Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 26 verringert wird.
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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, wo die
normale Betriebssteuerung der Brennstoffzelle 26 ausgeführt wird,
zurück.
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Wie
oben beschrieben, wird die OCV-Vermeidungssteuerung während
der Aufwärmsteuerung der Batterievorrichtung 22 freigegeben,
so dass die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 26 auf
einen Wert, der den Vermeidungsspannungsbereich umfasst, eingestellt
werden kann. 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.
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Zusammenfassung
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Leistungsversorgungs-Steuerschaltung
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Um
eine Batterievorrichtung in einer Leistungsversorgung, die mit einer
Brennstoffzelle und einer Batterievorrichtung ausgerüstet
ist, schneller aufzuwärmen, ein Brennstoffzellen-ausgerüstetes-Fahrzeugantriebssystem 10 zum
Antrieb und Steuern einer rotierenden elektrischen Maschine 14,
die in einem Fahrzeug, das einen Inverter 12, der mit der
rotierenden elektrischen Maschine 14 verbunden ist, beinhaltet,
installiert ist; eine Leistungsversorgungsschaltung 20 mit
einer Batterievorrichtung 22, ein 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
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2007-5038
A [0004, 0004]