DE112009000599B4

DE112009000599B4 - Leistungszuführsteuerungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112009000599B4
Application number: DE112009000599.3T
Authority: DE
Inventors: Tadaichi Matsumoto
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-03-21
Filing date: 2009-03-04
Publication date: 2018-07-26
Anticipated expiration: 2029-03-05
Also published as: JP2009232543A; CN101977790A; JP4395576B2; WO2009116392A1; CN101977790B; DE112009000599T5; US8476862B2; US20110026172A1

Abstract

Leistungszuführsteuerungsvorrichtung, aufweisend:einen Inverter, der mit einer rotierenden elektrischen Maschine verbunden ist;eine Brennstoffzelle, die mit einem Paar von Stromleitungen parallel geschaltet ist, wobei es sich bei dem Paar von Stromleitungen um eine positive Sammelschiene und eine negative Sammelschiene des Inverters handelt;eine Sekundärbatterie, die mit dem Paar von Stromleitungen parallel geschaltet ist;einen Spannungswandler, der mit dem Paar von Stromleitungen parallel geschaltet ist, und so angeordnet ist, dass er zwischen die Brennstoffzelle und die Sekundärbatterie geschaltet ist; undRelaiselemente, die in dem Paar von Stromleitungen an der Ausgangsseite der Brennstoffzelle angeordnet sind, um die Brennstoffzelle und den Inverter miteinander zu verbinden oder voneinander zu trennen, und die Brennstoffzelle und den Spannungswandler miteinander zu verbinden oder voneinander zu trennen, undeinen Steuerungsabschnitt,wobeider Steuerungsabschnitt beinhalteteinen Blockierzustands-Erfassungsteil, der erfasst, ob die rotierende elektrische Maschine sich in einem Blockierzustand befindet oder nicht;einen Brennstoffzellen-Steuerungsteil, der, wenn die rotierende elektrische Maschine sich in einem Blockierzustand befindet, die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle so verändert, dass sie einer vorbestimmten spezifizierten niedrigen Spannung aus einem Normalsteuerungs-Spannungszustand entspricht, in dem die rotierende elektrische Maschine sich nicht in einem Blockierzustand befindet;einen Spannungswandler-Steuerungsteil, der, wenn die rotierende elektrische Maschine sich in einem Blockierzustand befindet, unter Verwendung einer Betriebssteuerung des Spannungswandlers eine Inverter-Eingangsspannung, bei der es sich um eine an dem Paar von Stromleitungen anliegende Spannung handelt, von einem normalen Steuerungsspannungszustand, in dem die rotierende elektrische Maschine sich nicht in einem Blockierzustand befindet, in einen spezifizierten niedrigen Spannungszustand verändert, wobei die Inverter-Eingangsspannung auf eine vorbestimmte niedrige Spannung reduziert wird; undeinen Relaiszustands-Veränderungsteil, der bewirkt, dass die Relaiselemente aus einem verbundenen Zustand in einen getrennten Zustand wechseln, wenn die rotierende elektrische Maschine aus einem Zustand, in dem sich nicht blockiert ist, in einen blockierten Zustand übergeht, so dass der aufgrund einer kapazitiven Komponente der Brennstoffzelle entstehende Emissionsstrom nicht erzeugt wird, auch wenn die Inverter-Eingangsspannung reduziert ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leistungszuführsteuerungsvorrichtung und betrifft insbesondere eine Leistungszuführsteuerungsvorrichtung zum Ausführen einer Leistungszuführbetriebssteuerung, wenn eine rotierende elektrische Maschine in einen Blockierzustand übergeht.
Hintergrund der Erfindung
Bei einer rotierenden elektrischen Maschine besteht die Möglichkeit, dass bei Unterbrechung der Drehbewegung derselben aufgrund eines Gleichgewichts zwischen der abgegebenen Leistung und der an der Maschine anliegenden Last ein Blockierzustand erreicht wird. Bei einer Steuerungsvorrichtung für eine rotierende elektrische Maschine zum Antreiben eines Fahrzeugs kann die rotierende elektrische Maschine z. B. einen Blockierzustand erreichen oder absterben, wenn zwischen einer Rückwärtsrollbewegung eines bergan stehenden Fahrzeugs aufgrund des Gewichts des Fahrzeug und einer aufgrund des Motordrehmoments hervorgerufenen Vorwärtsbewegung ein Kräftegleichgewicht vorliegt. Wenn die rotierende elektrische Maschine, bei der es sich um einen Mehrphasen-Antriebsmotor handelt, einen Blockierzustand erreicht, da der Betriebszustand der Mehrphasenspulen festgelegt ist, z. B. wenn die Mehrphasenspulen im Blockierzustand ihren maximalen Stromwert erreicht haben, wird dieser maximale Stromzustand anhalten. Den Umständen entsprechend besteht daher die Möglichkeit, dass eine Spule, in der dieser einen Maximalwert aufweisende Strom fließt, sowie Schaltelemente, die mit dieser Spule verbunden sind, beschädigt werden.
Die JP 2007-124 746 A beschreibt z.B., dass, wenn bei einer Motorantriebseinheit das Verstärkungsverhältnis eines Verstärkungswandlers bei blockiertem Motor einen anhaltend hohen Wert aufweist, die Schaltelemente eines Inverters bzw. Gleichrichters aufgrund des Stromstaus beschädigt werden können, während hingegen, wenn das Verstärkungsverhältnis einheitlich reduziert wird, eine Instabilität in Bezug auf das Motordrehmoment vorliegt, und dass daher die Notwendigkeit besteht, diese beiden Szenarien in Erwägung zu ziehen. In diesem Zusammenhang wird das Verstärkungsverhältnis des Verstärkungswandlers auf einen Betriebspunkt eingestellt, bei dem es möglich ist, das Drehmoment auf einem gleich großen Wert zu halten und die Motorantriebsspannung zu verringern.
Darüber hinaus offenbart die JP 2003-187 816 A in Verbindung mit dem Aufbau der vorliegenden Erfindung, dass ein Elektrofahrzeug eine Leistungszuführeinheit, Hochspannungs-Zusatzaggregate als eine Last, der elektrische Leistung von der Leistungszuführeinheit zugeführt wird, und einen Elektromotor aufweist, der mit der Leistungszuführeinheit über einen Antriebsinverter verbunden ist, wobei elektrische Leitungen zwischen der Leistungszuführeinheit und der Last vorgesehen sind, wobei Leistung zwischen der Leistungszuführeinheit und der Last über diese elektrischen Leitungen ausgetauscht wird. An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass die Leistungszuführeinheit eine Brennstoffzelle, einen Kondensator, eine Sekundärbatterie und einen Gleichstromwandler aufweist, die jeweils mit den elektrischen Leitungen verbunden sind, und dass ein Schalter zum Schalten von Verbindungszuständen der Brennstoffzelle in den elektrischen Leitungen vorgesehen ist.
In der JP 2007-124 746 A wird eine Verstärkungssteuerung beschrieben, wenn eine rotierende elektrische Maschine einen Blockierzustand erreicht, und JP 2003-187 816 A beschreibt eine Leistungszuführeinheit, die eine Brennstoffzelle beinhaltet. Die Schriften beschreiben jeweils voneinander gesonderte bekannte Technologien, sie beschreiben aber nicht die Steuerung einer Leistungszuführeinheit, die eine Brennstoffzelle in einem System beinhaltet, das eine Brennstoffzelle und eine rotierende elektrische Maschine beinhaltet, die in der Lage ist, eine Beschädigung an den Schaltelementen zu verhindern, wenn die rotierende elektrische Maschine einen Blockierzustand erreicht.
Aus der DE 10 2007 024 396 A1 ist ferner ein brennstoffzellenbasiertes Antriebssystem für ein Fahrzeug bekannt, umfassend wenigstens einen Brennstoffzellenstapel, eine elektrische Maschine, Peripheriekomponenten und ein elektrisches Bordnetz. Bei dem in der DE 10 2007 024 396 A1 diskutierten Antriebssystem ist eine zur Bewertung/Kategorisierung von im Antriebssystem erkannten Fehlfunktionen ausgebildete Kontrolleinheit vorgesehen. Ferner betrifft die DE 10 2007 024 396 A1 auch ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Antriebssystems in verschiedenen Stufen bei Auftritt einer oder mehrerer Fehler.
Es ist eine der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, eine Leistungszuführsteuerungsvorrichtung in einem eine Brennstoffzelle und eine elektrische rotierende Maschine beinhaltenden System zu schaffen, die in der Lage ist, eine Beschädigung der Schaltelemente zu verhindern, wenn die rotierende elektrische Maschine einen Blockierzustand erreicht. Diese Aufgabe wird gelöst mit dem Gegenstand der nebengeordneten Ansprüche 1 und 3, vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Kurzfassung der Erfindung
Eine Leistungszuführsteuerungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung weist einen Inverter bzw. Gleichrichter, der mit einer rotierenden elektrischen Maschine verbunden ist, eine Brennstoffzelle, die mit eine Paar von Stromleitungen parallel verbunden bzw. geschaltet ist, wobei es sich bei dem Paar von Stromleitungen um eine auf einer positiven Seite befindliche Sammelschiene und eine auf einer negativen Seite befindliche Sammelschiene des Inverters handelt, eine Sekundärbatterie, die mit dem Paar von Stromleitungen parallel geschaltet ist, einen Spannungswandler, der mit dem Paar von Stromleitungen parallel geschaltet ist, und der zwischen der Brennstoffzelle und der Sekundärbatterie geschaltet ist, und einen Steuerungsabschnitt auf, wobei der Steuerungsabschnitt einen Teil zum Erfassen eines Blockierzustands, der erfasst, ob die rotierende elektrische Maschine sich in einem Blockierzustand befindet oder nicht, und einen Brennstoffzellen-Steuerungsteil aufweist, der, wenn sich die rotierende elektrische Maschine in einem Blockierzustand befindet, eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle so verändert, dass diese aus einer normalen Steuerungsspannungsbedingung heraus einem vorbestimmten spezifizierten niedrigen Spannungswert entspricht, wenn die rotierende elektrische Maschine nicht blockiert ist.
Zudem kann in der Leistungszuführsteuerungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung in Bezug auf die Zuführung von zumindest entweder dem Oxidationsgas oder dem Brenngas zu der Brennstoffzelle, der Brennstoffzellen-Steuerungsteil aus einem normalen Zuführzustand, in dem die rotierende elektrische Maschine sich nicht im Blockierzustand befindet, in einen begrenzten Zuführzustand wechseln, wo die Zuführmenge begrenzt ist.
Zudem können in der Leistungszuführsteuerungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung Relaiselemente in dem Paar von Stromleitungen an einer Ausgangseite der Brennstoffzelle vorgesehen sein, um die Brennstoffzelle und den Inverter und die Brennstoffzelle und den Spannungswandler miteinander zu verbinden bzw. voneinander zu trennen, und damit der Steuerungsabschnitt einen Spannungsumwandlungs-Steuerungsteil beinhaltet, der, wenn sich die rotierende elektrische Maschine in einem Blockierzustand befindet, aus einem normalen Steuerungsspannungszustand, wenn die rotierende elektrische Maschine nicht blockiert ist, in einen spezifizierten niedrigen Spannungszustand wechselt, in dem die Inverter-Eingangsspannung, bei der es sich um eine an dem Paar von Stromleitungen anliegende Spannung handelt, auf eine vorbestimmte niedrige Spannung gesenkt wird, und zwar unter Verwendung einer Betriebssteuerung des Spannungswandlers, und einen Relaiszustands-Veränderungsteil beinhaltet, der, wenn die rotierende elektrische Maschine aus einem Zustand, in dem sie sich nicht im Blockierzustand befindet, in einen Blockierzustand wechselt, die Relaiselemente aus einem verbundenen Zustand in einen getrennten Zustand versetzt, so dass kein aufgrund einer kapazitiven Komponente der Brennstoffzelle entstehender Emissionsstrom erzeugt wird, selbst wenn die Inverter-Eingangsspannung reduziert wird.
Zudem kann bei der Leistungszuführsteuerungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung der Relaiszustands-Veränderungsteil aus einem Zustand, in dem die rotierende elektrische Maschine sich in einem Blockierzustand befindet, in einen Blockierzustand zurückkehren, und außerdem die Brennstoffzelle wie in ihren normalen Zuführzustand zurückversetzen, und auf diese Weise die Relaiselemente in einen Verbindungszustand zurückversetzen, wenn eine offene Ausgangsspannung der Brennstoffzelle einer vorbestimmten spezifizierten Leerlaufspannung bzw. Leerlaufspannung entspricht.
Bei der Leistungszuführsteuerungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung kann zudem der Steuerungsabschnitt einen Spannungswandler-Steuerungsteil aufweisen, der, wenn die rotierende elektrische Maschine sich in einem Blockierzustand befindet, den Betrieb des Spannungswandlers während einer Verringerungszeitspanne stoppt, wo die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle auf einen spezifizierten niedrigen Spannungswert reduziert wird, indem die Zufuhr von zumindest entweder dem Oxidationsgas oder dem Brenngas zur Brennstoffzelle begrenzt wird, der aufgrund einer kapazitiven Komponente der Brennstoffzelle entstehende Emissionsstrom entsprechend einer Verringerung der Inverter-Eingangsspannung in Reaktion auf eine Verringerung der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle, unter Verwendung des Inverters, absorbiert bzw. aufgehoben wird, und der Stoppzustand bzw. die Abschaltung des Spannungswandlers aufgehoben wird, sobald die Verringerungszeitspanne abgelaufen ist.
Bei der Leistungszuführsteuerungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann es sich zudem bei der rotierenden elektrischen Maschine um eine rotierende elektrische Maschine zum Antreiben eines Fahrzeugs handeln, die in dem Fahrzeug montiert ist.
Bei der vorstehend beschriebenen Struktur weist eine Leistungszuführsteuerungsvorrichtung einen Inverter, eine Brennstoffzelle, eine Sekundärbatterie, einen Spannungswandler und einen Steuerungsabschnitt auf. Wenn die rotierende elektrische Maschine sich in einem Blockierzustand befindet, verändert der Steuerungsabschnitt die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle, so dass dieser aus einem normalen Steuerungsspannungszustand eine vorbestimmte spezifizierte niedrige Spannung erreicht, wenn die rotierende elektrische Maschine sich nicht in einem Blockierzustand befindet. Die Inverter-Eingangsspannung wird verringert, indem die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle gesenkt wird, wodurch der Leistungsverlust in den Schaltelementen der rotierenden elektrischen Maschine während des Blockierzustand reduziert wird. Auf diese Weise kann unter Hinzuziehung einer Betriebssteuerung der Brennstoffzelle eine Beschädigung der Schaltelemente der rotierenden elektrischen Maschine, die sich in einem Blockierzustand befindet, verhindert werden.
Zudem wird bei der Leistungszuführsteuerung, wenn die rotierende elektrische Maschine sich in einem Blockierzustand befindet, in Bezug auf die Zufuhr von zumindest entweder dem Oxidationsgas oder dem Brenngas zu der Brennstoffzelle, die Zuführmenge ausgehend von einem normalen Zuführzustand, in dem die rotierende elektrische Maschine nicht blockiert ist, begrenzt. Auf diese Weise wird eine sogenannte Niedereffizienz-Leistungserzeugung ausgeführt, und die Ausgangsspannung kann verringert werden, wobei der Ausgangsstrom unverändert bleibt. Somit ist es möglich, den Leistungsverlust der Schaltelemente zu vermindern, während eine Verringerung des Drehmoments der rotierenden elektrischen Maschine verhindert wird, auch wenn sich die rotierende elektrische Maschine in einem Blockierzustand befindet.
Die Leistungszuführsteuerungsvorrichtung ist außerdem mit Relaiselementen versehen, die die Brennstoffzelle und den Inverter und die Brennstoffzelle und den Spannungswandler miteinander verbinden oder voneinander trennen, und wenn die rotierende elektrische Maschine von einem Zustand, wo sie sich nicht in einem Blockierzustand befindet, in einen Blockierzustand übergeht, wechseln die Relaiselemente aus einem verbundenen Zustand in einen getrennten Zustand. Dabei wird die Inverter-Eingangsspannung, wenn sich die rotierende elektrische Maschine nicht in einem Blockierzustand befindet, von einem normalen Steuerungsspannungszustand in einen spezifizierten bzw. vorgegebenen niedrigen Spannungszustand verändert, bei dem eine vorbestimmte niedrige Spannung vorliegt. Die Inverter-Eingangsspannung wird auf diese Weise verringert, wenn sich die rotierende elektrische Maschine in einem Blockierzustand befindet, und der Leistungsverlust in den Schaltelementen der rotierenden elektrischen Maschine in dem Blockierzustand wird vermindert. Wenn sich außerdem die Relaiselemente in einem verbunden Zustand befinden, wird die Brennstoffzelle als ein Kondensator betrieben, indem die Inverter-Eingangsspannung reduziert wird, und es kann zu einer Ableitung des Stroms kommen, so dass die Verringerung der Inverter-Eingangsspannung kompensiert bzw. ausgeglichen wird, wodurch verhindert wird, dass die Inverter-Eingangsspannung verringert wird, wobei jedoch durch die Trennung Relaiselemente die Effekte der Entstehung eines Emissionsstroms unterbunden werden können.
Bei der Leistungszuführsteuerungsvorrichtung kehrt zudem der Relaiszustands-Veränderungsteil aus einem Zustand, in dem die rotierende elektrische Maschine sich in einem Blockierzustand befindet, in einen nicht blockierten Zustand zurück, und zudem kehrt die Brennstoffzelle in einen normalen Zuführzustand zurück, und somit kehren auf diese Weise die Relaiselemente in einen verbunden Zustand zurück, wenn eine offene Ausgangsspannung der Brennstoffzelle einer vorbestimmten spezifizierten offene Ausgangsspannung entspricht. Somit ist eine effiziente Ausführung einer normalen Steuerung der Brennstoffzelle möglich.
Wenn sich außerdem die rotierende elektrische Maschine in einem Blockierzustand befindet, stoppt in der Leistungszuführsteuerungsvorrichtung der Steuerungsabschnitt den Betrieb des Spannungswandlers in einer Verringerungszeitspanne, während der die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle auf einen spezifizierten niedrigen Spannungswert verringert wird, wobei die Zufuhr von zumindest entweder einem Oxidationsgas oder einem Brenngas zu der Brennstoffzelle begrenzt wird, bewirkt der Steuerungsabschnitt, dass der Inverter den aufgrund einer kapazitiven Komponente der Brennstoffzelle entstehenden Emissionsstrom, der entsprechend einer Verringerung der Inverter-Eingangsspannung in Reaktion auf eine Verringerung der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle entsteht, absorbiert bzw. aufhebt, und hebt die Abschaltung des Spannungswandlers auf, sobald die Verringerungszeitspanne abgelaufen ist. Auf diese Weise wird der Emissionsstrom der Brennstoffzelle durch den Inverter absorbiert, der sich in einem Blockierzustand befindet, auch wenn der Strom aus der Brennstoffzelle emittiert wird, um die Verringerung der Inverter-Eingangsspannung aufgrund dessen, dass die Brennstoffzelle als Kondensatore arbeitet, zu kompensieren. Dabei wird die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle reduziert, und somit wird, nachdem die Emissionsstromentstehung aufgehoben worden ist, der Betrieb des Spannungswandlers neugestartet, und es erfolgt ein Steuerungsvorgang, bei dem die reduzierte Ausgangsspannung dem Inverter zugeführt wird. Auf diese Weise kann der Leistungsverlust in den Schaltelementen des Inverters vermindert werden, wenn sich die rotierende elektrische Maschine in einem Blockierzustand befindet, während der Effekt des abgeleiteten Stroms vermindert wird, und eine Beschädigung an den Schaltelementen des Inverters verhindert werden.
Bei der Leistungszuführsteuerungsvorrichtung handelt es sich zudem bei der rotierenden elektrischen Maschine um eine rotierende elektrische Maschine zum Antreiben eines Fahrzeugs, die in dem Fahrzeug montiert ist, und somit ist eine Begrenzung der Beschädigung der Schaltelemente des Inverters möglich, auch wenn die rotierende elektrische Maschine blockiert, so z. B. wie in dem Fall, wenn das Fahrzeug, in dem die rotierende elektrische Maschine montiert ist, berganfährt.
Figurenliste

1 ist eine Zeichnung, die den Aufbau der Leistungszuführsteuerungsvorrichtung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist ein Flussdiagramm, das einen Verarbeitungsablauf in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, wenn eine rotierende elektrische Maschine sich in einem Blockierzustand befindet.
3 ist ein Zeitsteuerungsdiagramm zur Erläuterung des Zeitverlaufs von Zuständen eines jeweiligen Elements der Leistungssteuerung in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine Zeichnung zur Erläuterung eines Aspekts eines Steuerungsvorgangs einer Brennstoffzelle in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5 ist eine Zeichnung zur Erläuterung eines Aspekts eines Leistungsverlustes in Schaltelementen eines Inverters in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6 ein Zeitsteuerungsdiagramm, das ein weiteres Beispiel eines Steuerungsvorgangs in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
7 ein Zeitsteuerungsdiagramm, das noch ein weiteres Beispiel eines Steuerungsvorgangs in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

Bezugszeichenliste
8 Rotierende elektrische Maschine, 10 Brennstoffzelle, 12 Sekundärbatterie, 16 brennstoffzellenseitiges Relais, 18 sekundärbatterieseitiges Relais, 20 Inverter, 22 Brennstoffzellestapel, 26 Brenngastank, 28 Verdünnungseinrichtung, 30 Kühlmittelumwälzpumpe, 40 Oxidationsgasquelle, 45 Reglerventil, 45 Regler, 47 Strömungsteiler, 48 Abgasventil, 49 Umwälzverstärkungseinrichtung, 50 Steuerungsabschnitt, 52 Blockierzustands-Erfassungsmodul, 54 Brennstoffzellen-Steuerungsmodul, 56 Spannungswandler-Steuerungsmodul, 58 Relaiszustands-Veränderungsmodul und 60, 62 Kennlinien.
Beschreibung der Ausführungsformen
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlicher beschrieben. Nachstehend bezieht sich die Beschreibung auf die in einem Fahrzeug montierte rotierende elektrische Maschine, bei der es sich jedoch auch um eine rotierende elektrische Maschine handeln kann, die außer in einem Fahrzeug auch anderweitig Anwendung finden kann, wie z. B. eine stationär befestigte rotierende elektrische Maschine. Die Beschreibung wendet sich außerdem einer einzelnen rotierenden elektrischen Maschine in Verbindung mit einem Fahrzeug, das mit einer Brennstoffzelle ausgestattet ist, doch kann das Fahrzeug auch eine Mehrzahl von rotierenden elektrischen Maschinen aufweisen. Die Beschreibung beschäftigt sich zudem mit einer rotierenden elektrischen Maschine, bei der es sich um einen Motor/Generator handelt, der als Motor und als Generator funktioniert, doch kann das Fahrzeug auch eine rotierende elektrische Maschine mit nur einer Motorfunktion oder aber den Motor und den Generator gesondert voneinander aufweisen.
Zudem erfolgt nachstehend eine Beschreibung eines Aufbaus, der einen Leistungszuführkreislauf mit einer Hochspannungs-Elektrizitätsspeichervorrichtung, einer Brennstoffzelle, einem Spannungswandler und einem Hochspannungsbetriebs-Inverter aufweist, doch kann er auch andere Elemente als die vorgenannten aufweisen. Zum Beispiel kann er auch Komponenten beinhalten, wie z. B. einen Glättungskondensator, eine Niederspannungsbatterie, einen Niederspannungsbetriebs-Gleichstromwandler etc. Zudem sind die Werte, wie z. B. die jeweiligen Leistungswerte, die nachstehend herangezogen werden, lediglich beispielhaft angeführt, und es können auch andere Werte als diese verwendet werden.
1 ist eine Zeichnung, die den Aufbau einer Leistungszuführsteuerungsvorrichtung 10 eines mit einer Brennstoffzelle ausgestatteten Fahrzeugs zeigt, wobei die Brennstoffzelle mit einer rotierenden elektrischen Maschine versehen ist. Diese Leistungszuführsteuerungsvorrichtung 10 besteht aus einer Brennstoffzelle 12, einer Hochspannungs-Sekundärbatterie 14, einem brennstoffzellenseitigen Relais 16, einem sekundärbatterieseitigen Relais 17, einem Spannungswandler 18, einem Hochspannungsbetriebs-Inverter 20 und einem Steuerungsabschnitt 50.
Auch wenn die rotierende elektrische Maschine 8 nicht Bestandteil der Leistungszuführsteuerungsvorrichtung 10 ist, so ist sie dennoch in der Zeichnung gezeigt. Hierbei handelt es sich bei der rotierenden elektrischen Maschine 8 um einen Motor/Generator (M/G), der in einem Fahrzeug montiert ist und der eine rotierende elektrische Drehstromsynchronmaschine aufweist, die als ein Motor funktioniert, wenn Leistung zugeführt wird, und der beim Bremsen als Generator funktioniert. Die Drehzahl der rotierenden elektrischen Maschine 8 wird durch eine geeignete Erfassungseinrichtung erfasst, wobei dieser erfasste Wert an den Steuerungsabschnitt 50 gesendet wird, und hier insbesondere beim Bestimmen eines Blockierzustands der rotierenden elektrische Maschine 8 verwendet wird.
An dieser Stelle erfolgt zunächst eine Beschreibung anderer Komponenten als der Brennstoffzelle 12, und erst danach wird auf die Struktur der Brennstoffzelle 12 eingegangen.
Bei der Sekundärbatterie 14 handelt es sich um eine aufladbare Hochspannungs-Elektrizitätsspeichervorrichtung zum Übertragen einer Leistung mit der Brennstoffzelle 12 über den Spannungswandler 18, und sie weist eine Funktion zum Handhaben von Lastschwankungen auf, wie z. B. die rotierende elektrische Maschine 8 und die verschiedenen Zusatzaggregate für die Brennstoffzelle, auf die in der Beschreibung später eingegangen wird. Als die Sekundärbatterie 14 kann eine Lithiumionen-Batterie oder eine Nickelhydrid-Batterie mit einer Klemmenspannung von z. B. 200 V bis 300 V oder ein Kondensator verwendet werden.
Das brennstoffzellenseitige Relais 16 und das sekundärbatterieseitige Relais 17 bildet einen Hochspannungs-Stromkreisunterbrecher, d. h. Relaiselemente, die eine Funktion aufweisen, um eine Zuführung oder Zufuhrunterbrechung der Hochspannungsleistung an den Spannungswandler 18 und den Wandler 20 nach Bedarf auszuführen. Diese Vorgänge werden durch den Steuerungsabschnitt 50 gesteuert.
Der Spannungswandler 18 ist eine Schaltung mit einer Funktion zum Übertragen von Leistung gemäß einem Potentialunterschied zwischen der Hochspannung auf der Seite der Sekundärbatterie 15 und einer Hochspannung auf der Seite der Brennstoffzelle 12. Wenn die Leistung z. B. dem Inverter 20 und der Seite der rotierenden elektrischen Maschine zugeführt wird, wird von der Seite der Sekundärbatterie 2 zu der Seite der Brennstoffzelle 12 Hochspannungsleistung zugeführt, und, umgekehrt, wenn die Sekundärbatterie 14 aufgeladen wird, wird die Hochspannungsleistung von der Seite der Brennstoffzelle 12 der Seite der Sekundärbatterie 14 zugeführt. Es kann auch ein interaktiver Wandler mit einer Spule als Spannungswandler 18 verwendet werden. Der Betrieb des Spannungswandlers 18 kann durch den Steuerungsabschnitt 50 gesteuert werden.
Der Wandler 20 ist eine Schaltung mit einer Funktion zum Umwandeln einer Hochspannungs-Gleichstromleistung in eine dreiphasige Wechselstrom-Antriebsleistung unter der Steuerung des Steuerungsabschnitts 50 und einer Funktion zum Zuführen derselben zu der rotierenden elektrischen Maschine 8, und einer Funktion zum umgekehrten Umwandeln der erzeugten Dreiphasenleistung von der rotierenden elektrischen Maschine 8 in eine Hochspannungs-Gleichstromleistung. Wie in 1 gezeigt ist, kann der Inverter 20 als eine Schaltung mit Schaltelementen und Dioden etc. konfiguriert sein. Als Schaltelemente können IGBTs (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode) verwendet werden.
Eine positive Sammelschiene und eine negative Sammelschiene sind in dem Inverter als ein Paar von Stromleitungen vorgesehen, und von der Brennstoffzelle 12 und der Sekundärbatterie 14 wird dem Paar von Stromleitungen eine Hochspannungsleistung zugeführt. Eine an diesem Paar von Stromleitungen anliegende Spannung ist die Inverter-Eingangsspannung, die in 1 als V_INV gezeigt ist.
Wenn die rotierende elektrische Maschine 8 für den Antrieb eines Fahrzeugs verwendet wird, kann es z. B., wenn zwischen einer Rückwärtsbewegung infolge des Gewichts des Fahrzeugs und einer Vorwärtsbewegung aufgrund eines Ausgangsdrehmoments der rotierenden elektrischen Maschine 8 in einem berganfahrenden Fahrzeug ein Kräftegleichgewicht vorliegt, zum Blockieren oder Absterben der rotierenden elektrischen Maschine kommen. Wenn sich die rotierende elektrische Maschine 8 in einem Blockierzustand befindet, liegt der Betriebszustand der Mehrphasenspulen der rotierenden elektrischen Maschine 8 fest, und wenn die maximale Strommenge in einer beliebigen der mehrphasigen Spulen während des Blockierzustands fließt, hält der maximale Stromzustand an.
Folglich fließt auch in dem Inverter 20 kontinuierlich eine maximale Strommenge entsprechend der maximalen Stromphase in den Schaltelementen, und wird bei Bestehenbleiben dieser Situation höchstwahrscheinlich zu einer Beschädigung führen. Um dies zu verhindern, wird, wenn sich die rotierende elektrische Maschine 8 in einem Blockierzustand befindet, eine Verarbeitung ausgeführt, um die Inverter-Eingangsspannung V_INV zu reduzieren, jedoch wird auf den genauen Inhalt dieser Verarbeitung später eingegangen.
Als nächstes erfolgt die Beschreibung der Brennstoffzelle 12. Die Brennstoffzelle 12 ist so konstruiert, dass sie einen Brennstoffzellenkörper aufweist, der als ein Brennstoffzellenstapel 22 bezeichnet wird, der eine Mehrzahl von zusammengestapelten Brennstoffzellen sowie entsprechende Elemente zum Zuführen eines Brenngases, die auf einer Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 22 angeordnet sind, und entsprechende Elemente zum Zuführen eines Oxidationsgases, die auf der Kathodenseite angeordnet sind, aufweist. Die Brennstoffzelle wird einfach mit BZ (Brennstoffzelle) bezeichnet.
Der Brennstoffzellenstapel 22 weist eine Mehrzahl von Batterieeinheiten auf, die zusammengebaut und -gestapelt sind, wobei die Batterieeinheiten von Separatoren umgeben sind, die an den beiden äußeren Seiten einer MEA (Membranelektrodenanordnung) angeordnet sind, in der die katalytischen Elektrodenschichten auf beiden Seiten eines elektrolytischen Films angeordnet sind. In dem Brennstoffzellenstapel 22 wird Brenngas, wie z. B. Wasserstoffgas, der Anodenseite zugeführt, ein sauerstoffhaltiges Oxidationsgas, wie z. B. Luft, der Kathodenseite zugeführt wird, und der Brennstoffzellenstapel 22 weist die Funktion auf, Elektrizität unter Verwendung einer elektrochemischen Reaktion über den elektrolytischen Film zu erzeugen und Leistung zu extrahieren bzw. abzuführen. Der Brennstoffzellenstapel 22 wird manchmal auch als BZ-Stapel bezeichnet.
Bei einem Brenngastank 26 auf der Anodenseite handelt es sich um eine Wasserstoffgasquelle, und dieser Brenngastank 26 dient auch als Tank zum Zuführen von Wasserstoffgas als das Brenngas. Ein Regler 46, der mit dem Brenngastank 26, d. h. einer Wasserstoffgasquelle, verbunden ist, weist eine Funktion auf, durch die ein Druck und eine Gasströmungsrate aus dem Brenngastank 26 angemessen eingestellt werden. Der Auslass des Reglers 46 ist mit einem anodenseitigen Einlass des Brennstoffzellenstapels 22 verbunden, und das Brenngas, das auf einen angemessenen Druck und eine angemessenen Strömungsrate eingestellt worden ist, wird dem Brennstoffzellenstapel 22 zugeführt.
Ein Strömungsteiler 47, der mit einer Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 22 verbunden ist, dient der Strömungsführung zu einer Verdünnungseinrichtung 28 über ein Abgasventil 48, wenn die Konzentration von Verunreinigungsgasen in dem Abgas aus dem anodenseitigen Ausgang hoch ist. Zudem ist ferner noch ein Umwälzungsverstärker 49 vorgesehen, der nach dem Strömungsteiler 47 angeordnet ist, und zwischen dem anodenseitigen Einlass befindet sich eine Wasserstoffpumpe mit einer Funktion zum Erhöhen eines Teildrucks des Wasserstoffgases, das aus dem anodenseitigen Auslass zurückgeführt wird, um dem anodenseitigen Einlass wieder zurückgeführt und wieder verwendet zu werden.
Bei einer kathodenseitigen Oxidationsgasquelle 40 kann es sich tatsächlich um Luft handeln. Die Luft, bei der es sich um die Oxidationsgasquelle 40 handelt, wird einem Luftkompressor (ACP) 42 durch ein Filter zugeführt. Der ACP 42 ist ein Gasdruckverstärker, der das Oxidationsgas einer Volumenkompression unter Verwendung des Motors unterziehen soll, um den Druck des Oxidationsgases zu erhöhen. Zudem weist der ACP 42 eine variable Drehzahl (Umdrehungen pro Minute) und eine Funktion zum Bereitstellen einer spezifizierten Oxidationsgasmenge auf. Insbesondere wenn eine Soll-Strömungsrate des Oxidationsgases hoch ist, wird die Drehzahl des Motors erhöht und umgekehrt, wenn die Soll-Strömungsrate des Oxidationsgases gering ist, wird die Drehzahl des Motors reduziert. Das Oxidationsgas, das durch den ACP 42 mit Druck beaufschlagt worden ist, wird dem Brennstoffzellenstapel 22 mit einer gewünschten Strömungsrate zugeführt, indem die Drehzahl des ACP 42 gesteuert wird. Zudem weist ein Reglerventil 45, das in dem Oxidationsgasweg an einer Auslassseite des Brennstoffzellenstapels 22 angeordnet ist, eine Funktion zum Einstellen des Gasdrucks am kathodenseitigen Auslass auf.
Die Verdünnungseinrichtung 28 ist ein Puffergefäß zum Sammeln von Wasserstoff, der abgeführtes Wasser aus dem anodenseitigen Abgasventil 48 enthält, und von Abgas, das Feuchtigkeit und auch Wasserstoff enthält, der aus der MEA von der Kathodenseite ausgeströmt ist, und zum Abführen nach außerhalb, nachdem die Wasserstoffkonzentration entsprechend verdünnt worden ist.
Zudem handelt es sich bei der Kühlmittelumwälzpumpe 30 um eine Pumpe zum Umwälzen eines Kühlmittels, um zu bewirken, dass sich die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 22 in einem angemessenen Bereich für die elektrochemische Reaktion bewegt. Als Kühlmittel kann Kühlwasser verwendet werden, das ein Frostschutzmittel, wie z. B. LLC (Long Life Coolant), enthält.
Somit werden in der Brennstoffzelle 12 zahlreiche Elemente verwendet. Zu ihnen gehören der ACP 42, der Umwälzungsverstärker 49 und die Kühlmittelumwälzpumpe 30 als Zusatzgeräte, die elektrisch betrieben werden. Diese Zusatzgeräte werden betätigt, indem ihnen eine Hochspannungsleistung aus dem Paar von Stromleitungen zwischen der Sekundärbatterie 14 und dem Spannungswandler 18 zugeführt wird.
Der Steuerungsabschnitt 50 in 1 weist eine Funktion zum Steuern des Gesamtbetriebs eines jeden Elements, aus dem die Leistungszuführsteuerungsvorrichtung 10 besteht, und weist insbesondere eine Funktion zum Verringern einer Inverter-Eingangsspannung V_INV auf, wenn die rotierende elektrische Maschine 8 sich in einem Blockierzustand befindet, um dadurch Schäden an den Schaltelementen etc. des Inverters 20 zu verhindern. Ein Drehzahlsignal wird von der rotierenden elektrischen Maschine 8 als Information bezüglich des Blockierzustands in den Steuerungsabschnitt 50 eingegeben, und der Betrieb der Brennstoffzelle 12, der Betrieb des Spannungswandlers 18 und der Betrieb des brennstoffzellenseitigen Relais 16 werden basierend auf den Informationen gesteuert. Ein dem Fahrzeug angemessener Computer kann als der Steuerungsabschnitt 50 verwendet werden.
Der Steuerungsabschnitt 50 beinhaltet ein Blockierzustands-Erfassungsmodul 52 zum Erfassen, ob die rotierende elektrische Maschine 8 sich in einem Blockierzustand befindet, ein Brennstoffzellen-Steuerungsmodul 54 zum Verändern bzw. Umschalten der Brennstoffzellenspannung auf eine spezifizierte niedrige Spannung, wenn die rotierende elektrische Maschine 8 in einen Blockierzustand übergeht, ein Spannungswandler-Steuerungsmodul 56 zum Steuern eines Betriebs des Spannungswandlers 18, wenn die rotierende elektrische Maschine 8 in einen Blockierzustand übergegangen ist, und ein Relaiszustands-Veränderungsmodul 58 zum Umschalten des brennstoffzellenseitigen Relais 16 aus einem Verbindungszustand in einen Trennungszustand.
Die Realisierung entsprechender Funktionen ist durch Ausführen einer Software möglich, und insbesondere können Verarbeitungsprogramme zum Verarbeiten eines Blockierzustands innerhalb eines Leistungssteuerungsprogramms ausgeführt werden. Ein Teil der Funktionen kann auch unter Verwendung einer Hardware realisiert werden.
Der Betrieb der vorstehend beschriebenen Konfiguration, insbesondere jeder Funktion des Steuerungsabschnitts 50, wird nun unter Verwendung des Flussdiagramms von 2, des Zeitsteuerungsdiagramms von 3 und 4 und 5 beschrieben. Nachstehend werden die in 1 verwendeten Bezugszeichen herangezogen. 2 ist ein Flussdiagramm, das eine Verarbeitungs-Vorgehensweise zeigt, wenn die rotierende elektrische Maschine 8 sich in einem Blockierzustand befindet, und der Inhalt einer jeweiligen Vorgehensweise entspricht jeweils einer Verarbeitungs-Vorgehensweise eines Blockierzustand-Programms innerhalb eines Leistungssteuerungsprogramms. 3 ist ein Zeitsteuerungsprogramm, das eine Veränderung der Zustände eines jeweiligen Elements der Leistungszuführsteuerungsvorrichtung 10 im Zeitverlauf beschreibt. Zudem ist 4 eine Zeichnung, die einen Aspekt eines Steuerungsvorgang der Brennstoffzelle 12 beschreibt, wohingegen 5 einen Aspekt eines Leistungsverlustes in Schaltelementen des Hochspannungsbetriebs-Inverters 20 erläutert.
2 zeigt, dass, wenn ein Fahrzeug mit einer rotierenden elektrischen Maschine 8 unter Verwendung der Brennstoffzelle 12 und der Sekundärbatterie 14 läuft, überwacht wird, ob die rotierende elektrische Maschine 8 sich in einem Blockierzustand befindet oder nicht (S10). Dieser Schritt wird unter Verwendung einer Funktion des Blockierzustands-Erfassungsmoduls 52 des Steuerungsabschnitts 50 ausgeführt. Ob ein Blockierzustand vorliegt oder nicht, kann dadurch beurteilt werden, dass bestimmt wird, ob die Drehzahl der rotierenden elektrischen Maschine 8 im Vergleich zu einem Drehmomentanweisungswert extrem niedrig ist oder null beträgt. In einem Fall, wo die Drehzahl der rotierenden elektrischen Maschine 8 etwa 100 UpM oder weniger beträgt, kann, auch wenn eine Drehmomentanweisung etwa 200 Nm oder mehr lautet, beispielsweise bestimmt werden, dass die rotierende elektrische Maschine 8 sich in einem Blockierzustand befindet. Allem Anschein nach ist es daher ebenso möglich, unterschiedliche Beurteilungskriterien anzuwenden. Zudem ist auch die Verwendung einer anderen Referenzgröße als der Drehzahl der rotierenden elektrischen Maschine 8 möglich. Wenn z. B. ein Spulenstrom der rotierenden elektrischen Maschine 8 auf eine spezifische Phase lokalisiert bzw. festgelegt wird, kann dementsprechend bestimmt werden, dass ein Blockierzustand vorliegt.
In dem Zeitsteuerungsdiagramm von 3 ist die Zeit entlang der Abszissenachse aufgetragen, und der zeitliche Verlauf der Drehzahl der rotierenden elektrischen Maschine, des Drehmomentbefehls der rotierenden elektrischen Maschine, der Bestimmung einer Blockierung der rotierenden elektrischen Maschine, der Inverter-Eingangsspannung V_INV, des Brennstoffzellen-Ausgangsstroms I_FC, der Drehzahl des ACP, die eine Brennstoffzellen-Oxidationsgas-Strömungsrate darstellt, und des Sekundärbatteriestroms ist demzufolge in der Zeichnung von oben nach unten, d. h. entlang der Ordinatenachse, aufgetragen. In diesem Zusammenhang steigt zum Zeitpunkt t1, trotzdem der Drehmomentbefehl einem Sollwert entspricht, die Drehzahl der rotierenden elektrischen Maschine 8 nicht an, und somit ergibt die Bestimmung einer Blockierung der rotierenden elektrischen Maschine, dass ein Blockierzustand vorliegt.
Wenn bestimmt wird, dass ein Blockierzustand vorliegt, wird als Nächstes ein Befehl zum Reduzieren einer Ausgangsspannung an die Brennstoffzelle 12 ausgegeben (S12). Dieser Schritt wird unter Verwendung einer Funktion des Brennstoffzellen-Steuerungsmoduls 54 des Steuerungsabschnitts 50 ausgeführt. Insbesondere wenn sich die rotierende elektrische Maschine 8 in einem Blockierzustand befindet, wechselt die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 12 von einer einem normalen Steuerungsspannungszustand entsprechenden Spannung, wo sich die rotierende elektrische Maschine 8 nicht in einem Blockierzustand befindet, auf eine vorbestimmte spezifizierte niedrige Spannung.
In diesem Fall ist es zu bevorzugen, die Ausgangsspannung ohne Veränderung bzw. Variieren des Ausgangsstroms der Brennstoffzelle 12 zu verringern. Durch Ausführen einer Steuerung in dieser Weise kann die Inverter-Eingangsspannung V_INV reduziert werden, während ein Strom zugeführt wird, der mit dem Drehmomentbefehl übereinstimmt. Als eine Möglichkeit bzw. ein Mittel zum Implementieren dieser Art von Steuerungsvorgang kann die Zufuhr des Oxidationsgases gestoppt werden oder die Zufuhr einer normalen Menge reduziert werden, so dass dadurch ein sogenannter Niedereffizienz-Leistungserzeugungszustand realisiert wird. Zudem kann das Brenngas bzw. die Brenngaszufuhr gestoppt oder reduziert werden, jedoch ist es von dem Standpunkt aus betrachtet, dass die MEA zu schützen bzw. zu schonen ist, in diesem Fall zu bevorzugen, erst die Zufuhr des Oxidationsgases und im Anschluss daran dann die Brenngaszufuhr zu stoppen.
Dieser Aspekt ist in 4 gezeigt. Bei 4 handelt es sich um eine Zeichnung, in der die Betriebszustände der Brennstoffzelle 12 erläutert werden, wobei der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 12 und die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 12 gezeigt sind. Die Ausführung einer Normalbetriebssteuerung der Brennstoffzelle 12 orientiert sich entlang der Kennlinie 60 oder einer optimalen bzw. besten elektrischen Reaktionseffizienz in der Brennstoffzelle 12. Insbesondere wenn der Ausgangsstrom I_FC der Brennstoffzelle 12 angefordert wird, werden die Oxidationsgaszufuhr und die Brenngaszufuhr so ausgeführt, dass eine elektrochemische Reaktion bewirkt wird, durch die die Ausgangsspannung V_FC entlang der Kennlinie 60, die mit dem Ausgangsstrom I_FC korrespondiert, erzeugt wird. Wenn im umgekehrten Fall der Befehl gemäß Schritt S12 oben ausgegeben wird, wenn die Zufuhr des Oxidationsgases begrenzt ist, ergibt sich die Kennlinie 62, wo aufgrund von I_FC, V_FC einen konstanten niedrigen Spannungswert erreicht. Insbesondere bei einer vorbestimmten spezifizierten niedrigen Spannung der Brennstoffzelle 12 kann sich der Ausgangsstrom I_FC der Brennstoffzelle12 verändern.
Wenn auf diese Weise bewirkt wird, dass die Ausgangsspannung V_FC der Brennstoffzelle 12 einer spezifizierten bzw. vorgegebenen niedrigen Spannung entspricht, bewirkt der Spannungswandler 18, dass die Ausgangsspannung der Sekundärbatterie 14 in Reaktion darauf einer niedrigen Spannung entspricht, so dass die Inverter-Eingangsspannung V_INV reduziert wird. Wenn z. B. die Inverter-Eingangsspannung V_INV in dem Normalsteuerungs-Spannungszustand, in dem sich die rotierende elektrische Maschine 8 nicht in einem Blockierzustand befindet, auf etwa 400 V eingestellt wird, dann kann die Inverter-Eingangsspannung V_ONV auf etwa 30 V eingestellt werden, wenn die rotierende elektrische Maschine 8 in einen Blockierzustand übergeht.
3 zeigt eine Reduktion der Strömungsrate der Luft, bei der es sich um das Oxidationsgas handelt, nach dem Zeitpunkt t₁ und eine Reduktion der Inverter-Eingangsspannung V_INV gemäß einer Reduktion der Strömungsrate. Die Veränderung der Oxidationsgas-Strömungsrate kann unter Verwendung einer Drehzahl des ACP 42 ausgeführt werden, so dass eine Variation bzw. Veränderung der Luftströmungsrate in 3 auch eine Veränderung der Drehzahl des ACP 42 bewirkt.
Durch Reduzieren der Inverter-Eingangsspannung V_INV kann auch der mit dem Aufheizen der Schaltelemente des Inverters 20 im Blockierzustand in Verbindung stehende Leistungsverlust reduziert werden. Dieser Aspekt ist in 5 gezeigt. In 5 ist die Zeit entlang der Abszissenachse aufgetragen, und sie zeigt des Weiteren die zwischen beiden Enden eines Schaltelements anliegende Spannung V und den Strom I, der in dem Schaltelement fließt. Der auf der linken Seite von 5 gezeigte Zustand steht für den EIN-Zustand bzw. ON-Zustand eines Schaltelements, während der auf der rechten Seite gezeigte Zustand dem AUS-Zustand bzw. dem OFF-Zustand des Schaltelements entspricht. Unter dem Leistungsverlust eines Elements ist das Produkt aus der zwischen beiden Enden anliegenden Spannung V und dem durchfließenden Strom I zu verstehen, wobei der Leistungsverlust reduziert werden kann, indem die an beiden Enden anliegende Spannung V verringert wird. Die zwischen beiden Enden des Schaltelements anliegende Spannung steht in Beziehung zur Inverter-Eingangsspannung V_INV, und wenn V_INF auf einen kleinen Wert reduziert wird, dann wird auch die zwischen beiden Enden des Schaltelements anliegende Spannung auf einen kleinen Wert reduziert. Indem also dementsprechend V_INV reduziert wird, wird auch der im Blockierzustand auftretende Leistungsverlust der Schaltelemente des Inverters 20 vermindert, und das Aufheizen der Schaltelemente kann in Grenzen gehalten werden.
In 3 steigt der Ausgangsstrom I_FC der Brennstoffzelle 12 vom Zeitpunkt bzw. der Zeit t₁ zur Zeit t₂ an, und fällt in Reaktion auf den Strom der Sekundärbatterie 14 aus den nachfolgende beschriebenen Gründen wieder ab. Insbesondere wird bei dem Aufbau von 1 Strom durch eine kapazitive Komponente der Brennstoffzelle 12 freigegeben, um die Reduktion der Inverter-Eingangsspannung V_INV zu kompensieren, wenn der Betrieb der Brennstoffzelle 12 so gesteuert wird, dass die Ausgangsspannung V_FC der Brennstoffzelle 12 verringert wird und somit die Inverter-Eingangsspannung V_INV verringert wird. Auf diese Weise steigt der Ausgangsstrom I_FC der Brennstoffzelle 12 vorübergehend an, und fällt in Reaktion auf den Strom der Sekundärbatterie 14 wieder ab. Dieses Phänomen entspricht einem temporären Ausgleichsvorgang, und sobald eine bestimmte Zeit verstrichen ist, erfolgt die Rückkehr in den Normalzustand. Die Wirkung bzw. der Effekt dieser kapazitiven Komponente der Brennstoffzelle 12 ist desgleichen zu beobachten, wenn V_INV wieder in den ursprünglichen Normalbetriebs-Spannungszustand zurückkehrt. In 3 ist zu sehen, dass diese Wirkung nach der Zeit t₃ in Erscheinung tritt, wenn der Blockierzustand der rotierenden elektrischen Maschine 8 freigegeben bzw. aufgehoben wird.
Die Wirkung aufgrund der kapazitiven Komponente der Brennstoffzelle 12 ist vorübergehender Natur, doch ungeachtet dessen wird, wenn bestimmt wird, dass sich die rotierende elektrische Maschine 8 in einem Blockierzustand befindet, die Inverter-Eingangsspannung V_INV reduziert, und somit kann der Leistungsverlust in den Schaltelementen des Inverters 20 verringert werden. Auf diese Weise wird die Inverter-Eingangsspannung V_INV durch eine Betriebssteuerung der Brennstoffzelle 12 verringert, wenn die rotierende elektrische Maschine 8 sich in einem Blockierzustand befindet, und der Steuerungsvorgang wird so ausgeführt, dass die Beschädigung der Schaltelemente des Inverters 20 in Grenzen gehalten wird.
Unter erneuter Bezugnahme auf 2 ist zu ersehen, dass, während ein Steuerungsvorgang zum Verringern von V_INV ausgeführt wird, überwacht wird (S14), ob die rotierende elektrische Maschine 8 aus dem Blockierzustand freigeben worden ist. Dieser Schritt wird unter Verwendung einer Funktion des Blockierzustands-Erfassungsmoduls 52 des Steuerungsabschnitts 50 ausgeführt. Insbesondere wird bei dem vorstehend beschriebenen Beispiel die Tatsache, ob der Blockierzustand aufgehoben worden ist oder nicht, durch Bezugnahme auf den Drehmomentbefehl und die Drehzahl der rotierenden elektrischen Maschine 8 beurteilt. Wenn dann bestimmt wird, dass der Blockierzustand aufgehoben worden ist, kehrt der Steuerungsvorgang der Brennstoffzelle 12 wieder in den Normalsteuerungs-Spannungszustand zurück (S16). Insbesondere findet dabei eine Rückkehr des Steuerungsvorgang zu der in 4 beschriebenen Kennlinie 60 statt.
In 3 wird zur Zeit t₃, wo die Drehzahl der rotierenden elektrischen Maschine angestiegen ist, ein Aspekt gezeigt, bei dem anhand der Bestimmung einer Blockierung der rotierenden elektrischen Maschine bestimmt wird, dass der Blockierzustand aufgehoben worden ist. Anschließend kehrt nach der Zeit t₃ die Oxidationsgas-Strömungsrate zu einem Wert zurück, der dem Drehmomentbefehl entspricht, erreicht der Ausgangsstrom I_FC der Brennstoffzelle 12 ebenfalls einen entsprechenden Wert und erreicht die Inverter-Eingangsspannung V_INV wieder einen Bereich einer Normalsteuerungsspannung. Aufgrund dessen kehrt die Leistungszuführsteuerungsvorrichtung 10 in den Normalsteuerungszustand zurück, und der Fahrbetrieb des Fahrzeugs wird aufgenommen.
Die vorstehende Beschreibung hat sich mit dem in einem verbundenen Zustand befindlichen brennstoffzellenseitigen Relais 16 befasst. Wenn aus diesem Grund die Ausgangsspannung V_FC der Brennstoffzelle 12 verringert wird, um die Inverter-Eingangsspannung V_INV zu verringern, steigt der Ausgangsstrom I_FC der Brennstoffzelle12 aufgrund der Wirkung der kapazitiven Komponente der Brennstoffzelle 12 vorübergehend an. Wenngleich dieses Phänomen vorübergehender Natur ist, kann die Begrenzung des Grads der Verringerung von V_INV um den Nennwert des Spannungswandlers 18 und den Nennwert der Sekundärbatterie 14 erhöht werden. Nachstehend werden nun ein Aufbau und ein Verfahren zum Begrenzen bzw. Einschränken der Wirkung der kapazitiven Komponente der Brennstoffzelle 12 beschrieben. Für den nachstehenden Teil der Beschreibung werden die Bezugszeichen von 1 bis 5 herangezogen.
Ein Verfahren beinhaltet das Verhindern, dass sich der Effekt bzw. die Wirkung der kapazitiven Komponente der Brennstoffzelle 12 auf die Seite des Inverters 20 ausweitet, indem das brennstoffzellenseitige Relais 16 getrennt wird. Insbesondere wenn die rotierende elektrische Maschine 8 sich aus einem Zustand, in dem sie nicht blockiert ist, in einen Blockierzustand bewegt, wechselt das brennstoffzellenseitige Relais 16 aus einem verbundenen Zustand in einen getrennten Zustand, und so kommt es nicht zur Freisetzung eines Stroms durch die kapazitive Komponente der Brennstoffzelle 12, auch wenn die Inverter-Eingangsspannung I_INV reduziert ist. Genauer gesagt sieht das Flussdiagramm von 2 einen Verarbeitungsablauf, nach S12, oder den Umständen entsprechend nach S10, vor, so dass das brennstoffzellenseitige Relais 16 aus einem verbundenen Zustand in einen getrennten Zustand umgeschaltet wird. Dieser Schritt wird unter Verwendung einer Funktion des Relaiszustands-Veränderungsmoduls 58 des Steuerungsabschnitts 50 ausgeführt.
Dieser Aspekt ist in dem Zeitsteuerungsdiagramm von 6 dargestellt. Das Zeitsteuerungsdiagramm von 6 entspricht 3, zeigt jedoch eine Zustandsveränderung des brennstoffzellenseitigen Relais (BZ-Relais) 16 bei der fünften Auftragungslinie von oben, und zeigt zudem eine Zustandsveränderung des Ausgangsstroms V_FC der Brennstoffzelle 12 in der siebten Auftragungslinie von oben. Alle anderen Elemente in 6 sind mit denen von 3 identisch, und daher wird von einer ausführlichen Beschreibung derselben abgesehen. 6 zeigt einen Aspekt, in dem, wenn zur Zeit t₁ bestimmt wird, dass die rotierende elektrische Maschine 8 sich in einem Blockierzustand befindet, die Strömungsrate des Oxidationsgases der Brennstoffzelle 12 begrenzt oder gestoppt wird und das brennstoffzellenseitige Relais 16 aus einem verbundenen Zustand in einen getrennten Zustand umschaltet.
Dabei weist die Ausgangsseite der Brennstoffzelle 12 eine Verbindung mit dem Inverter 20 etc. afu, die durch das brennstoffzellenseitige Relais 16 durchtrennt wird, und so wird die Ausgangsspannung V_FC der Brennstoffzelle 12 zu einer Leerlaufspannung bzw. offenen Stromkreisspannung: OCV, und da die Oxidationsgaszufuhr begrenzt ist oder gestoppt wird, fällt die Ausgangsspannung im Laufe der Zeit allmählich ab. Zudem führt der Spannungswandler 18 eine Verarbeitung aus, um die Inverter-Eingangsspannung V_INV auf einen spezifizierten bzw. vorgegebenen niedrigen Spannungswert gemäß dem Betrieb der Brennstoffzelle 12 zu reduzieren, der auf der Kennlinie 60 wiedergegeben ist, die in 4 gezeigt ist. Da in diesem Zusammenhang das brennstoffzellenseitige Relais 16 getrennt ist, kommt die Wirkung der kapazitiven Komponente der Brennstoffzelle 12 am Inverter 20 nicht zum Tragen, auch wenn V_INV reduziert worden ist. Insbesondere steigt in 6 von der Zeit t₁ zur Zeit t₂ der Ausgangsstrom I_FC der Brennstoffzelle 12 nicht an.
Wenn auf diese Weise die rotierende elektrische Maschine 8 in einen Blockierzustand übergeht, erfolgt die Betriebssteuerung der Brennstoffzelle 12, indem das brennstoffzellenseitige Relais 16 aus einem verbundenen Zustand in einen getrennten Zustand umschaltet, und die Wirkung der kapazitiven Komponente der Brennstoffzelle 12 kann verhindert werden, auch wenn die Inverter-Eingangsspannung V_INV reduziert ist. Infolgedessen wird der Leistungsverlust in den Schaltelementen des Inverters 20, wenn sich die rotierende elektrische Maschine 8 in einem Blockierzustand befindet, vermindert, und die Beschädigung der Schaltelemente kann begrenzt werden kann.
Wenn zur Zeit t₃ bestimmt wird, dass die rotierende elektrische Maschine 8 sich nicht mehr in einem Blockierzustand befindet, kehrt die Brennstoffzelle 12 wieder in den normalen Zuführzustand zurück. Infolgedessen beginnt die Ausgangsspannung Fvc des Brennstoffzelle 12 anzusteigen, und wenn dieser Wert eine vorbestimmte spezifizierte Leerlaufspannung bzw. offene Stromkreisspannung erreicht, kehrt das brennstoffzellenseitige Relais 16 erneut in den verbunden Zustand zurück. Insbesondere nach Schritt S16 in 2 kehrt das brennstoffzellenseitige Relais 16 aus dem getrennten Zustand wieder in den verbundenen Zustand zurück. Dieser Schritt wird unter Verwendung einer Funktion des Relaiszustands-Veränderungsmoduls 58 des Steuerungsabschnitts 50 ausgeführt. Dabei kehrt die Leistungszuführsteuerungsvorrichtung 10 erneut in den normalen Steuerungszustand zurück, und der Fahrzeugfahrbetrieb wird normal ausgeführt.
Ein weiteres Verfahren zum Verhindern der Effekte der kapazitiven Komponente der Brennstoffzelle 12 beinhaltet die Begrenzung oder das Stoppen bzw. Abschalten der Oxidationsgaszufuhr in der Brennstoffzelle 12, wenn die rotierende elektrische Maschine 8 in einen Blockierzustand übergeht. Dabei handelt es sich genauer gesagt um ein vorübergehendes bzw. temporäres Abschalten des Betriebs des Spannungswandlers 18. Bei diesem Verfahren wird bewirkt, dass der aufgrund der kapazitiven Komponente der Brennstoffzelle 12 entstandene Emissionsstrom durch den konzentrierten elektrischen Strom des Wandlers 20, der sich im Blockierzustand befindet, absorbiert bzw. kompensiert wird. In dem Flussdiagramm von 2 wird nach S12, oder abhängig von den Umständen nach S10, erfolgt ein vorübergehender Betriebsstopp des Spannungswandlers 18. Diese Funktion wird unter Verwendung einer Funktion des Spannungswandler-Steuerungsmoduls 56 des Steuerungsabschnitts 50 ausgeführt.
Dieser Aspekt ist in 7 gezeigt. 7 entspricht 6 und zeigt die Ausgangsspannung V_FC der Brennstoffzelle 12 auf der fünften Auftragungslinie von oben, und alle anderen Elemente sind mit denen von 3 identisch, so dass von einer ausführlichen Beschreibung derselben abgesehen wird. An dieser Stelle ist ein Aspekt gezeigt, bei dem, wenn zur Zeit t₁ bestimmt wird, dass die rotierende elektrische Maschine 8 sich in einem Blockierzustand befindet, die Oxidationsgas-Strömungsrate der Brennstoffzelle 12 begrenzt oder gestoppt wird und der Betrieb des Spannungswandlers 18 gestoppt wird (SDOWN bzw. S abwärts).
Zu dieser Zeit wird die Strömungsrate des Oxidationsgas in der Brennstoffzelle 12 begrenzt oder gestoppt, und somit fällt die Ausgangsspannung V_FC der Brennstoffzelle 12 fortschreitend ab, und gemäß diesem Abfallen der Ausgangsspannung, fällt auch die Inverter-Eingangsspannung V_INV ab. Einhergehend mit der Verringerung von V_INV, erzeugt die Brennstoffzelle 12 einen Emissionsstrom, und es kommt zum Anstieg von I_FC, jedoch wird dieser durch den Gesamtstrom des Inverters 20 wieder kompensiert. V_FC wird hingegen allmählich reduziert, und wenn sie auf eine spezifizierte niedrige Spannung abgefallen ist, wenn sie also in diesem Beispiel auf 30 V abgefallen ist, wird der Betrieb des Spannungswandlers 18 neugestartet. Insbesondere kehrt der Betrieb des Spannungswandlers 18 nach S16 in 2 aus dem abgeschalteten bzw. gestoppten Zustand wieder in einen Betriebszustand zurück. Dieser Schritt wird unter Verwendung einer Funktion des Spannungswandler-Steuerungsmoduls 56 des Steuerungsabschnitts 50 ausgeführt. Infolgedessen kehrt die Leistungszuführsteuerungsvorrichtung 10 wieder in den normalen Steuerungszustand zurück, und der Fahrzeugfahrbetrieb kann normal ausgeführt werden.

Claims

Leistungszuführsteuerungsvorrichtung, aufweisend: einen Inverter, der mit einer rotierenden elektrischen Maschine verbunden ist; eine Brennstoffzelle, die mit einem Paar von Stromleitungen parallel geschaltet ist, wobei es sich bei dem Paar von Stromleitungen um eine positive Sammelschiene und eine negative Sammelschiene des Inverters handelt; eine Sekundärbatterie, die mit dem Paar von Stromleitungen parallel geschaltet ist; einen Spannungswandler, der mit dem Paar von Stromleitungen parallel geschaltet ist, und so angeordnet ist, dass er zwischen die Brennstoffzelle und die Sekundärbatterie geschaltet ist; und Relaiselemente, die in dem Paar von Stromleitungen an der Ausgangsseite der Brennstoffzelle angeordnet sind, um die Brennstoffzelle und den Inverter miteinander zu verbinden oder voneinander zu trennen, und die Brennstoffzelle und den Spannungswandler miteinander zu verbinden oder voneinander zu trennen, und einen Steuerungsabschnitt, wobei der Steuerungsabschnitt beinhaltet einen Blockierzustands-Erfassungsteil, der erfasst, ob die rotierende elektrische Maschine sich in einem Blockierzustand befindet oder nicht; einen Brennstoffzellen-Steuerungsteil, der, wenn die rotierende elektrische Maschine sich in einem Blockierzustand befindet, die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle so verändert, dass sie einer vorbestimmten spezifizierten niedrigen Spannung aus einem Normalsteuerungs-Spannungszustand entspricht, in dem die rotierende elektrische Maschine sich nicht in einem Blockierzustand befindet; einen Spannungswandler-Steuerungsteil, der, wenn die rotierende elektrische Maschine sich in einem Blockierzustand befindet, unter Verwendung einer Betriebssteuerung des Spannungswandlers eine Inverter-Eingangsspannung, bei der es sich um eine an dem Paar von Stromleitungen anliegende Spannung handelt, von einem normalen Steuerungsspannungszustand, in dem die rotierende elektrische Maschine sich nicht in einem Blockierzustand befindet, in einen spezifizierten niedrigen Spannungszustand verändert, wobei die Inverter-Eingangsspannung auf eine vorbestimmte niedrige Spannung reduziert wird; und einen Relaiszustands-Veränderungsteil, der bewirkt, dass die Relaiselemente aus einem verbundenen Zustand in einen getrennten Zustand wechseln, wenn die rotierende elektrische Maschine aus einem Zustand, in dem sich nicht blockiert ist, in einen blockierten Zustand übergeht, so dass der aufgrund einer kapazitiven Komponente der Brennstoffzelle entstehende Emissionsstrom nicht erzeugt wird, auch wenn die Inverter-Eingangsspannung reduziert ist.
Leistungszuführsteuerungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Relaiszustands-Veränderungsteil bewirkt, dass die Relaiselemente aus einem getrennten Zustand in einen verbundenen Zustand zurückkehren, wenn die rotierende elektrische Maschine von einem Zustand, in dem sie blockiert ist, wieder in einen nicht blockierten Zustand übergeht, und ferner die Brennstoffzelle in einen normalen Zuführzustand zurückkehrt, und somit eine offene Ausgangsspannung der Brennstoffzelle einer vorbestimmten spezifizierten Leerlaufspannung entspricht.
Leistungszuführsteuerungsvorrichtung, aufweisend: einen Inverter, der mit einer rotierenden elektrischen Maschine verbunden ist; eine Brennstoffzelle, die mit einem Paar von Stromleitungen parallel geschaltet ist, wobei es sich bei dem Paar von Stromleitungen um eine positive Sammelschiene und eine negative Sammelschiene des Inverters handelt; eine Sekundärbatterie, die mit dem Paar von Stromleitungen parallel geschaltet ist; einen Spannungswandler, der mit dem Paar von Stromleitungen parallel geschaltet ist, und so angeordnet ist, dass er zwischen die Brennstoffzelle und die Sekundärbatterie geschaltet ist; und einen Steuerungsabschnitt, wobei der Steuerungsabschnitt beinhaltet einen Blockierzustands-Erfassungsteil, der erfasst, ob die rotierende elektrische Maschine sich in einem Blockierzustand befindet oder nicht; und einen Brennstoffzellen-Steuerungsteil, der, in Bezug auf die Zufuhr von zumindest entweder dem Oxidationsgas oder dem Brenngas zu der Brennstoffzelle, wenn sich die rotierende elektrische Maschine in einem Blockierzustand befindet, von einem normalen Zuführzustand, in dem die rotierende elektrische Maschine sich nicht in einem Blockierzustand befindet, in einen begrenzten Zuführzustand wechselt, in dem die Zuführmenge begrenzt ist; und einen Spannungswandler-Steuerungsteil, der, wenn die rotierende elektrische Maschine sich in einem blockierten Zustand befindet, den Betrieb des Spannungswandlers während einer Verringerungszeitspanne stoppt, wobei die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle auf einen spezifizierten niedrigen Spannungswert reduziert wird, indem die Zufuhr von zumindest entweder einem Oxidationsgas oder Brenngas der Brennstoffzelle begrenzt wird, der bewirkt, dass der Inverter den aufgrund der kapazitiven Komponente der Brennstoffzelle entstehenden Emissionsstrom, der entsprechend einer Verringerung der Inverter-Eingangsspannung in Reaktion auf eine Verringerung der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle ansteigt, kompensiert und der die Abschaltung des Spannungswandlers aufhebt, sobald die Verringerungszeitspanne verstrichen ist.
Leistungszuführsteuerungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die rotierende elektrische Maschine eine rotierende elektrische Maschine ist, die für den Antrieb eines Fahrzeugs verwendet wird und in dem Fahrzeug montiert ist.