DE112009002696B4

DE112009002696B4 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE112009002696B4
Application number: DE112009002696.6T
Authority: DE
Inventors: Kota Manabe
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-11-05
Filing date: 2009-09-28
Publication date: 2015-03-05
Anticipated expiration: 2029-09-29
Also published as: DE112009002696T5; CN102204001B; CN102204001A; JP4505767B2; US8815460B2; US20110190959A1; JP2010113896A; DE112009002696T8; WO2010052822A1

Abstract

Brennstoffzellensystem (100) umfassend: eine Brennstoffzelle (110) und einen Akkumulator (120), die parallel mit einer Last (130) verbunden sind; einen mit der Last (130) verbundenen Inverter (140); eine zwischen der Brennstoffzelle (110) und dem Inverter (140) vorgesehene erste Spannungswandlereinheit (150) zur Steuerung der Klemmenspannung (Vfc) der Brennstoffzelle (110); eine zwischen dem Akkumulator (120) und dem Inverter (140) vorgesehene zweite Spannungswandlereinheit (180) zur Steuerung der Eingangsspannung (Vin) des Inverters (140); und ein Steuerungsmittel (160) zur Steuerung der Aktionen der entsprechenden Spannungswandlereinheiten, wobei, falls eine von der Brennstoffzelle (110) geforderte Ausgangsleistung erhöht wird, das Steuermittel die Aktion der zweiten Spannungswandlereinheit (180) derart steuert, daß die Eingangsspannung (Vin) des Inverters (140) eine eingestellte, geforderte Spannung (Vtin) erreicht, und dann die Aktion der ersten Spannungswandlereinheit (150) derart steuert, daß die Klemmenspannung (Vfc) der Brennstoffzelle (110) eine der Ausgangsleistung entsprechende, geforderte Ausgangsspannung (Vtfc) wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem. Insbesondere betrifft sie ein Brennstoffzellensystem der Hybridbauart, das eine Brennstoffzelle und eine Batterie als Leistungsquelle umfaßt.
Stand der Technik
Was ein Brennstoffzellensystem betrifft, das in einem Fahrzeug oder dergleichen eingebaut ist, wurden verschiedene, jeweils eine Brennstoffzelle und eine Batterie als Leistungsquelle umfassende Brennstoffzellensysteme vorgeschlagen, um eine die Leistungserzeugungsfähigkeit einer Brennstoffzelle übersteigende, rasche Laständerung zu bewältigen (siehe beispielsweise das folgende Patentdokument 1).
7 ist ein Schaltbild, das das ein in einem Fahrzeug eingebautes Brennstoffzellensystem der Hybridbauart darstellt (das nachfolgend als FCHV-System bezeichnet wird). Bei einem FCHV-System 100 sind eine Brennstoffzelle 110 und und eine Batterie 120 parallel zu einander mit einer Last 130 verbunden und die Last 130 ist mit einem Inverter 140 verbunden, der eine von der Brennstoffzelle 110 oder der Batterie 120 zugeführte Gleichstromleistung in eine Wechselstromleistung umwandelt. Außerdem ist zwischen der Brennstoffzelle 110 und dem Inverter 140 ein Gleichstrom-Gleichstromwandler 150 vorgesehen (nachfolgend als Brennstoffzellenwandler bezeichnet), der eine Klemmenspannung Vfc (die Ausgangsspannung) der Brennstoffzelle 110 steuert, und zwischen der Batterie 120 und dem Inverter 140 ist ein Gleichstrom-Gleichstromwandler 180, (nachfolgend als Batteriewandler bezeichnet) angeordnet, der eine Eingangsspannung Vin des Inverters 140 steuert.
Eine Steuereinheit 160 berechnet einen Leistungsbedarf für die Last 130 auf der Basis eines Ermittlungssignals (d. h. eines Ermittlungssignals, das den Öffnungsgrad eines Fahrpedals anzeigt), das von einer Fühlergruppe 170 zugeleitet wird, die einen Fühler für das Fahrpedal und dergleichen einschließt, und die Steuereinheit steuert den Inverter 140 basierend auf dem berechneten Leistungsbedarf, wodurch über den Inverter 140 der Last 130 eine dem Leistungsbedarf entsprechende Leistung zugeführt wird.
[Dokument zum Stand der Technik]
[Patentdokument]

[Patentdokument 1] Japanische Schrift JP 2000-12059 A

Offenbarung der Erfindung
Durch die Erfindung zu lösende Probleme
Bei der Berechnung des Leistungsbedarfs für die Last 130 beim FCHV-System 100 ermittelt die Steuereinheit eine angestrebte Eingangsspannung Vtin (nachfolgend als Zieleingangsspannung bezeichnet) des Inverters 140 und ermittelt eine angestrebte Ausgangsklemmenspannung Vtfc (nachfolgend als Zielausgangsklemmenspannung bezeichnet) der Brennstoffzelle 110.
Dabei ist die 8 ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Eingangsspannung Vin des Inverters 140 und der Ausgangsklemmenspannung Vfc der Brennstoffzelle 110 für den Fall darstellt, daß sich der Leistungsbedarf für die Last 130 ändert. Es ist zu beachten, daß in 8 die Veränderung der Eingangsspannung Vin des Inverters 140 durch eine ausgezogene Linie dargestellt ist, und die Veränderung der Ausgangsklemmenspannung Vfc der Brennstoffzelle 110 durch eine unterbrochene Linie.
Beispielsweise verschiebt sich in einem Falle, in welchem ein Fahrer das Fahrpedal tief niederdrückt und dies oder eine andere Aktion den Leistungsbedarf der Last 130 rasch erhöht, die Zieleingangsspannung Vtin des Inverters 140 durch den Batteriewandler 150 in Richtung einer hohen Spannung (siehe den Pfeil α in 8), während die Zielausgangsklemmenspannung Vtfc der Brennstoffzelle 110 sich durch den Brennstoffzellenwandler 155 in Richtung auf eine niedrige Spannung verschiebt (siehe den Pfeil β in 8).
Folglich steigt die Eingangsspannung Vin des Inverters 140 durch den Batteriewandler 150 rasch in Richtung auf die eingestellte Zieleingangspannung Vtin auf einer Hochspannungsseite an (siehe Δ in 8), und die Ausgangsklemmenspannung Vfc der Brennstoffzelle 110 wird durch den Brennstoffzellenwandler 150 rasch in Richtung auf die Zielausgangsklemmenspannung (siehe
in 8) verschoben. Jedoch erfordern solche raschen Veränderungen der Eingangsspannung Vin des Inverters 140 und der Ausgangsklemmenspannung Vfc der Brennstoffzelle 110 (die Aktion in einem Frequenzbereich mit steuerbarem Ansprechverhalten) eine eine Steuerungsgrenze überschreitende Aktion des Brennstoffzellenwandlers 150, und es wurde deshalb als Problem befürchtet, daß der Zusammenbruch der Steuerung verursacht werden könnte.
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die oben beschriebenen Situationen entwickelt, und es ist eine ihrer Aufgaben, ein Brennstoffzellensystem oder dergleichen zu schaffen, das eine stabile Wandlersteuerung selbst in einem Falle realisieren kann, in dem die raschen Änderungen der Eingangsspannung eines Inverters und der Ausgangsklemmenspannung einer Brennstoffzelle gefordert sind.
Mittel zur Lösung des Problems
Um die obige Aufgabe zu bewältigen, ist das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellensystem umfassend: eine Brennstoffzelle und einen Akkumulator, die parallel mit einer Last verbunden sind; einen mit der Last verbundenen Inverter; eine zwischen der Brennstoffzelle und dem Inverter vorgesehene erste Spannungswandlereinheit zur Steuerung der Klemmenspannung der Brennstoffzelle; eine zwischen dem Akkumulator und dem Inverter vorgesehene zweite Spannungswandlereinheit zur Steuerung der Eingangsspannung des Inverters und ein Steuerungsmittel zur Steuerung der Aktionen der entsprechenden Spannungswandlereinheiten, dadurch gekennzeichnet, daß, falls die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle erhöht wird, das Steuermittel die Aktion der zweiten Spannungswandlereinheit derart steuert, daß die Eingangsspannung des Inverters eine eingestellte, geforderte Spannung erreicht und dann die Aktion der ersten Spannungswandlereinheit derart steuert, daß die Klemmenspannung der Brennstoffzelle eine der Ausgangsleistung entsprechende geforderte Ausgangsspannung wird.
Gemäß einer solchen Konstruktion wird, wenn die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle erhöht wird, nach der Steuerung der Eingangsspannung des Inverters durch die zweite Spannungswandlereinheit (siehe α in 8) die Ausgangsklemmenspannung der Brennstoffzelle durch die erste Spannungswandlereinheit (siehe β in 8) gesteuert. Gemäß einer solchen Steuerung wird von der ersten Spannungswandlereinheit nicht gefordert, irgend eine Aktion auszuführen, die eine Steuerungsgrenze überschreitet (die Aktion in einem steuerbaren Ansprechbereich), und es kann vorab ein herkömmliches Problem verhindert werden, das eine Störung der Steuerung verursacht, wodurch eine stabile Wandlersteuerung realisiert werden kann.
Dabei wird bei der obigen Konstruktion eine Gestaltung bevorzugt, bei welcher, falls die Änderungsgeschwindigkeit der für die Brennstoffzelle geforderten Ausgangsleistung einen gegebenen Schwellenwert überschreitet, das Steuermittel die Aktion der zweiten Spannungswandlereinheit derart steuert, daß daß die Eingangsspannung des Inverters die eingestellte, geforderte Spannung erreicht, und dann die Aktion der ersten Spannungswandlereinheit derart steuert, daß die Klemmenspannung der Brennstoffzelle die der Ausgangsleistung entsprechende, geforderte Ausgangsspannung wird.
Überdies wird bei der obigen Konstruktion auch eine Gestaltung bevorzugt, bei der, falls die Summe der Änderungsgeschwindigkeiten der ausgangsseitigen Spannung und der eingangsseitigen Spannung der ersten Spannungswandlereinheit einen gegebenen Schwellenwert überschreitet, das Steuermittel die Aktion der zweiten Spannungswandlereinheit derart steuert, daß die Eingangsspannung des Inverters die eingestellte, geforderte Spannung erreicht, und dann die Aktion der ersten Spannungswandlereinheit derart steuert, daß die Klemmenspannung der Brennstoffzelle die der Ausgangsleistung entsprechende geforderte Ausgangsspannung wird.
Außerdem ist das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellensystem umfassend: eine Brennstoffzelle und einen Akkumulator, die parallel mit einer Last verbunden sind; einen mit der Last verbundenen Inverter; eine zwischen der Brennstoffzelle und dem Inverter vorgesehene erste Spannungswandlereinheit zur Steuerung der Klemmenspannung der Brennstoffzelle; eine zwischen dem Akkumulator und dem Inverter vorgesehene zweite Spannungswandlereinheit zur Steuerung der Eingangsspannung des Inverters und wobei, falls die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle abgesenkt wird, das Steuermittel die Aktion der ersten Spannungswandlereinheit derart steuert, daß die Klemmenspannung der Brennstoffzelle eine der Ausgangsleistung entsprechende geforderte Ausgangsspannung erreicht, und dann die Aktion der zweiten Spannungswandlereinheit derart steuert, daß die Eingangsspannung des Inverters eine eingestellte geforderte Spannung wird.
Dabei wird bei der obigen Konstruktion eine Gestaltung bevorzugt, bei der, falls die Änderungsgeschwindigkeit der für die Brennstoffzelle geforderten Ausgangsleistung einen gegebenen Schwellenwert überschreitet, das Steuermittel die Aktion der ersten Spannungswandlereinheit derart steuert, daß daß die Klemmenspannung der Brennstoffzelle die der Ausgangsleistung entsprechende geforderte Ausgangsspannung erreicht, und dann die Aktion der zweiten Spannungswandlereinheit derart steuert, daß die Eingangsspannung des Inverters die eingestellte Spannung wird.
Des weiteren wird bei der obigen Konstruktion auch eine Gestaltung bevorzugt, bei der, falls die Summe der Änderungsgeschwindigkeiten der ausgangsseitigen Spannung und der eingangsseitigen Spannung der ersten Spannungswandlereinheit einen gegebenen Schwellenwert überschreitet, das Steuermittel die Aktion der ersten Spannungswandlereinheit derart steuert, daß die Klemmenspannung der Brennstoffzelle die der Ausgangsleistung entsprechende geforderte Ausgangsspannung erreicht und dann die Aktion der zweiten Spannungswandlereinheit derart steuert, daß die Eingangsspannung des Inverters die eingestellte geforderte Spannung wird.
Wirkung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine stabile Wandlersteuerung realisiert werden, selbst wenn rasche Veränderungen der Eingangsspannung des Wandlers und der Ausgangsklemmenspannung gefordert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Blockschaltbild eines FCHV-Systems gemäß der vorliegenden Ausführungsform;
2 ist eine Abbildung einer einphasigen Schaltung für eine Phase eines Brennstoffzellenwandlers gemäß der vorliegenden Ausführungsform;
3 ist ein Ablaufdiagramm, das die Aktion des erfindungsgemäßen FCHV-Systems zeigt;
4 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Ablaufsteuerung zur Wandlerstabilisierung gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt;
5 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Ablaufsteuerung zur Wandlerstabilisierung gemäß der Abwandlung zeigt;
6 ist ein Diagramm das eine Beziehung zwischen der zuzuführenden Menge des Oxidationsgases und des Brenngases und den I-V-Charakteristika der Brennstoffzelle der Abwandlung zeigt;
7 ist eine das System bildende Schaltung eines konventionellen FCHV-Systems und
8 ist ein Diagramm, das ein Beziehung zwischen der Eingangsspannung eines Wandlers und der Ausgangsklemmenspannung einer Brennstoffzelle in dem Falle darstellt, in welchem eine Veränderung eines Leistungsbedarfs für eine Last auftritt.
Beste Art der Ausführung der Erfindung
A. Vorliegende Ausführungsform
Nachfolgend wird eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Die 1 zeigt die Struktur eines in einem Fahrzeug eingebauten FCHV-Systems gemäß der vorliegenden Erfindung. Es ist zu beachten, daß in der folgenden Beschreibung als ein Beispiel des Fahrzeugs ein Brennstoffzellenhybridfahrzeug (FCHV) beschrieben wird, aber die vorliegende Erfindung auch bei einem Elektrofahrzeug und dergleichen angewandt werden kann. Außerdem kann die Erfindung nicht nur bei einem Fahrzeug, sondern auch bei verschiedenen beweglichen Vorrichtungen (beispielsweise einem Schiff, einem Flugzeug, einem Roboter, etc.), einer stationären Leistungsquelle und einem tragbaren Brennstoffzellensystem angewandt werden. Um das Verständnis der Beschreibung zu erleichtern, wird ein der 7 entsprechendes Teil durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet.
(Systemgestaltung)
1 ist ein Schaltbild des ganzen Systems eines FCHV-Systems 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
Das FCHV-System 100 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, daß ein Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler (nachfolgend als der Batteriewandler bezeichnet) 180 zwischen einer Batterie 120 und einem Inverter 140 vorgesehen ist.
Eine Brennstoffzelle 110 ist ein Zellenstapel der Bauart mit Festpolymerelektrolyt, in dem eine Mehrzahl von Zelleneinheiten in Reihe gestapelt sind. Die Brennstoffzelle 110 ist mit einem Spannungsfühler zur Ermittlung einer Ausgangsklemmenspannung Vfc des Brennstoffzellenstapels versehen und mit einem Stromfühler zur Feststellung eines Ausgangsstroms (der Brennstoffzellenstrom) (beide sind nicht in der Zeichnung dargestellt). In der Brennstoffzelle 110 tritt an einem Anodenpol eine Oxidationsreaktion nach der Formel (1) auf, eine Reduktionsreaktion nach der Formel (2) an einem Kathodenpol und eine elektromotorische Reaktion nach der Formel 3) in der gesamten Brennstoffzelle 110. H₂ → 2H⁺ + 2e^– (1) (1/2)O₂ + 2H⁺ + 2e^– → H₂O (2) H₂ + (1/2)O₂ → H₂O (3)
Jede Zelleneinheit besitzt eine Struktur, in welcher eine MEA (Membran-Elektroden-Anordnung), die durch sandwichartiges Einschließen oder dergleichen eines Polymerelektrolytfilms zwischen zwei Elektroden eines Brennstoffpols erhalten wird, und ein Luftpol sandwichartig zwischen Separatoren für die Versorgung mit einem Brenngas und einem Oxidansgas eingeschlossen sind. Beim Anodenpol ist eine Katalysatorschicht für den Anodenpol auf einer porösen Trägerschicht angeordnet und beim Kathodenpol ist eine Katalysatorschicht für den Kathodenpol auf einer porösen Trägerschicht angeordnet.
Die Brennstoffzelle 110 ist mit einem System versehen, das das Brenngas dem Anodenpol zuführt, einem System das das Oxidansgas dem Kathodenpol zuführt und einem System, das eine Kühllösung zuführt (alle diese Systeme sind in der Zeichnung nicht dargestellt), und die Menge des zuzuführenden Brenngases und die Menge des zuzuführenden Oxidansgases werden ansprechend auf ein Steuersignal von einer Steuereinheit 160 gesteuert, wodurch eine gewünschte Leistung erzeugt werden kann.
Ein Brennstoffzellenwandler (die erste Spannungswandlereinheit) 150 besitzt die Funktion, die Ausgangsklemmenspannung Vfc der Brennstoffzelle 110 zu steuern und ist eine bidirektionale Spannungswandlereinheit, die die auf einer Primärseite (die Eingangsseite: die Seite der Brennstoffzelle 110) angelegte Ausgangsklemmenspannung Vfc der Brennstoffzelle 110 in einen Spannungswert umwandelt, der sich von jenem auf der Primärseite unterscheidet (die Spannung anhebt oder absenkt), um diese Spannung auf einer Sekundärseite (die Ausgangsseite: die Seite des Inverters 140) aufzuweisen, und die umgekehrt die an der Sekundärseite angelegte Spannung in eine Spannung umwandelt, die sich von jener auf der Sekundärseite unterscheidet und auf der Primärseite anliegt. Der Brennstoffzellenwandler 150 führt eine Steuerung derart durch, daß die Ausgangsklemmenspannung Vfc der Brennstoffzelle 110 eine Spannung wird, die einem Zielausgang (d. h. eine Zielausgangsklemmenspannung vfc) entspricht.
Der Brennstoffzellenwandler 150 ist beispielsweise ein Aufwärtswandler und benutzt ein Dreiphasen-Betriebssystem. Als ein spezielles Schaltungssystem umfaßt der Wandler eine Schaltungsstruktur eines Wandlers mit einer dreiphasigen Brückenbauart, die von einer U-Phase 151, einer V-Phase 152 und einer W-Phase 153 gebildet wird. Bei der Schaltungsstruktur des Wandlers mit einer dreiphasigen Brückenbauart sind ein einem Inverter ähnliches Schaltungsteil, das einmal eine Eingangsstrom-Gleichspannung in eine Wechselspannung umwandelt, und ein Teil, das die Wechselspannung wieder gleichrichtet, um die Spannung in eine unterschiedliche Gleichspannung umzuwandeln, mit einander kombiniert.
Die 2 ist ein Schaltbild einer Lastbetriebsschaltung einer ausgewählten Schaltung für eine Phase des Brennstoffzellenwandlers 150. Es ist zu beachten, daß in der folgenden Beschreibung eine Spannung, bevor sie angehoben und am Brennstoffzellenwandler 150 angelegt wird, als eine Eingangsspannung Vin und die angehobene, vom Brennstoffzellenwandler 150 ausgegebene Spannung als Ausgangsspannung Vout bezeichnet werden.
Wie in 2 gezeigt, umfaßt der Brennstoffzellenwandler 150 (für eine Phase) eine Drossel L1, eine Diode D1 zur Gleichrichtung und ein Schaltelement SW1, das von einem Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) gebildet wird, und dergleichen. Die Drossel L1 ist mit einem ihrer Enden mit einem (nicht gezeigten) Ende der Brennstoffzelle 110 verbunden und mit dem anderen Ende mit einem Kollektor des Schaltelements SW1. Dabei wird ein durch die Drossel L1 fließender Strom durch Stromfühler F1 bis F3 (siehe 1) festgestellt, um die Drosselströme der Phasen festzustellen. Das Schaltelement SW1 ist zwischen eine Leitung von der Leistungsquelle des Inverters 140 und die Masseleitung eingefügt. Insbesondere ist der Kollektor des Schaltelements SW1 mit der Leitung von der Leistungsquelle verbunden und deren Emitter ist mit der Masseleitung verbunden. Wenn der Schalter SW1 eingeschaltet wird, fließt bei einer solchen Gestaltung der Strom durch die Brennstoffzelle 110 → die Drossel L1 → den Schalter SW1, und zu diesem Zeitpunkt wird die Drossel L1 durch den Gleichstrom erregt, um magnetische Energie zu speichern.
Anschließend wird, wenn der Schalter SW1 abgeschaltet wird, eine Induktionsspannung durch die von der Drossel L1 gespeicherte Magnetenergie der Brennstoffzellenspannung (die Eingangsspannung Vin) der Brennstoffzelle 110 überlagert und am Ausgang der Drossel L1 liegt eine Betriebsspannung (die Ausgangsspannung Vout) höher als die Eingangsspannung Vin an, wodurch über die Diode D1 der Ausgangsstrom ausgegeben wird. Die Steuereinheit 160 ändert in geeigneter Weise das (später erläuterte) Aktionsverhältnis von EIN/AUS des Schalters SW1, um die gewünschte Ausgangsspannung Vout zu erhalten. Es ist zu beachten, daß der Eingangsstrom des Brennstoffzellenwandlers 150 (d. h. der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 110) durch einen (nicht gezeigten) Stromfühler ermittelt wird, und die am Eingang des Brennstoffzellenwandlers 150 anliegende Spannung (d. h. die am Ausgang der Brennstoffzelle 110 auftretende Spannung) durch einen (nicht gezeigten) Spannungsfühler.
Zurückkehrend zu 1 sind die Batterie (der Sammler) 120 und die Brennstoffzelle 110 parallel mit einer Last 130 verbunden und die Batterie fungiert als eine speichernde Quelle einer überschüssigen Leistung, als speichernde Quelle regenerativer Energie während des regenerativen Bremsens oder als Energiepuffer während einer das Beschleunigen oder Verzögern des Brennstoffzellenfahrzeugs begleitenden Laständerung. Als Batterie wird beispielsweise eine Nickel/Kadmium-Batterie, eine Nickel/Wasserstoff-Batterie oder eine Sekundärbatterie verwendet.
Der Batteriewandler (die zweite Spannungswandlereinheit) 180 hat die Funktion die Eingangsspannung Vin des Inverters 140 zu steuern und besitzt eine Schaltungsstruktur ähnlich der des Brennstoffzellenwandlers 150. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird, falls sich der Leistungsbedarf für die Last 130 rasch verändert (wobei nachfolgend der Fall einer Zunahme angenommen wird), zunächst der Batteriewandler 180 derart gesteuert, daß die Eingangsspannung Vin des Inverters 140 eine eingestellte Zieleingangsspannung Vtin (siehe Δ in 8) wird. Dann wird, nachdem die Eingangsspannung Vin des Inverters 140 die Zieleingangsspannung Vtin erreicht hat, der Brennstoffzellenwandler 150 derart gesteuert, daß die Ausgangsklemmenspannung Vfc der Brennstoffzelle 110 eine eingestellte Zielausgangsklemmenspannung Vtfc wird. Auf diese Weise wird, falls der Leistungsbedarf der Brennstoffzelle 110 rasch ansteigt, nachdem die Eingangsspannung Vin der Last 130 durch den Batteriewandler 180 gesteuert wurde, die Ausgangsklemmenspannung Vfc der Brennstoffzelle 110 durch den Brennstoffzellenwandler 150 gesteuert, wodurch eine stabile Wandlersteuerung erreicht werden kann (die Aktion wird später im Detail beschrieben). Es ist zu beachten, daß die Schaltungsstruktur des Batteriewandlers 180 nicht auf die oben beschriebene Struktur beschränkt und jeder Struktur verwendet werden kann, sofern die Eingangsspannung Vin des Inverters 140 gesteuert werden kann.
Der Inverter 140 ist beispielsweise ein Pulsbreitenmodulationssystem und folgt einem Steuerbefehl von der Steuereinheit 160, um die von der Brennstoffzelle 110 oder der Batterie 120 ausgegebene Gleichstromleistung in eine Dreiphasen-Wechselstromleistung umzuwandeln, wodurch das Drehmoment eines Fahrmotors 131 gesteuert wird.
Der Fahrmotor 131 liefert die Hauptleistung für das vorliegende Fahrzeug und erzeugt während der Verzögerung eine regenerative Leistung. Ein Differential 132 ist ein drehzahlreduzierendes Getriebe und verzögert die hohe Drehzahl des Fahrmotors 131 auf eine vorgegebene Drehzahl einer den Rädern zugeordneten Welle 133. Die Welle ist mit einem (nicht gezeigten) Fühler für die Drehzahl der Räder versehen und die Fahrzeuggeschwindigkeit des Fahrzeugs oder dergleichen wird durch diesen Fühler festgestellt. Es ist zu beachten, daß bei der vorliegenden Ausführungsform alle Vorrichtungen, die durch eine von der Brennstoffzelle 110 erhaltene Leistung betrieben werden können (einschließlich des Fahrmotors 131 und des Differentials 132), als die Last 130 bezeichnet werden.
Die Steuereinheit 160 ist ein Computersystem zur Steuerung des FCHV-Systems 100 und umfaßt beispielsweise eine CPU, ein RAM, ein ROM und dergleichen. Die Steuereinheit 160 nimmt verschiedene Signale auf, die von einer Fühlergruppe 170 zugeleitet werden (beispielsweise ein Signal, das den Öffnungsgrad eines Fahrpedals anzeigt, ein Signal, das die Fahrzeuggeschwindigkeit anzeigt, ein Signal, das den Ausgangsstrom oder die Ausgangsklemmenspannung der Brennstoffzelle 110, etc. anzeigt), um die geforderte Leistung für die Last 130 (d. h. die geforderte Leistung für das ganze System) zur Verfügung zu stellen.
Die geforderte Leistung für die Last 130 ist beispielsweise der Gesamtwert einer Leistung für die Fahrt des Fahrzeugs und einer Leistung für Hilfsmaschinen. Die Leistung für die Hilfsmaschinen schließt eine Leistung ein, die die von bordeigenen Hilfsmaschinen verbraucht wird, (ein Befeuchter, ein Luftverdichter, eine Wasserstoffpumpe, eine Kühlwasserumwälzpumpe, etc.), eine Leistung, die von für den Betrieb des Fahrzeugs erforderlichen Vorrichtungen (ein Getriebe, eine Vorrichtung zur Steuerung der Fahrzeugräder, eine Lenkvorrichtung, eine Aufhängung, etc.) verbraucht wird, eine Leistung, die von Einrichtungen in einem Fahrgastraum verbraucht werden (eine Klimaanlage, eine Beleuchtungsausstattung, eine Audioanlage, etc.) und dergleichen.
Anschließend stellt die Steuerung (die Steuereinheit) 160 die Verteilung der Ausgangsleistungen der Brennstoffzelle 110 und der Batterie 120 zur Berechnung eines Befehlswerts zur Leistungserzeugung fest. Nach Eingang des Leistungsbedarfs der Brennstoffzelle 110 und der Batterie 120 steuert die Steuerung 160 die Aktionen des Brennstoffzellenwandlers 150 und des Batteriewandlers 180 um diesen Leistungsbedarf zu entsprechen. Dann gibt die Steuerung 160 an den Inverter 140 beispielsweise Befehlswerte für die Wechselstromspannung der U-Phase, V-Phase und W-Phase als einen Schaltbefehl aus, um ein Zieldrehmoment zu erreichen, das dem Öffnungsgrad des Fahrpedals entspricht, wodurch das Ausgangsdrehmoment und die Drehzahl des Fahrmotors 131 gesteuert wird.
Außerdem steuert die Steuerung 160, falls der Leistungsbedarf der Brennstoffzelle 110 vorgegebenen Bedingungen entspricht (hier ein Fall, bei welchem der Leistungsbedarf rasch ansteigt), zur Realisierung einer stabilen Wandlersteuerung zunächst den Batteriewandler 180, so daß die Eingangsspannung Vin des Inverters 140 zur eingestellten Zieleingangsspannung (die eingestellte Spannungsanforderung) Vtin (siehe Δ in 8) wird. Dann, nachdem die Eingangsspannung Vin des Inverters 140 die Zieleingangsspannung Vtin erreicht hat, führt die Steuerung das Verfahren zur Steuerung des Brennstoffzellenwandlers 150 aus, so daß die Ausgangsklemmenspannung Vfc der Brennstoffzelle 110 die eingestellte Zielausgangsklemmenspannung (Ausgangsanforderung in einer Summierschaltung) Vtfc wird (nachfolgend als Ablaufsteuerung zur Wandlerstabilisierung bezeichnet).
Dabei können die obigen, vorgegebenen Bedingungen beliebig eingestellt und geändert werden. Beispielsweise kann, falls die Änderungsgeschwindigkeit des Leistungsbedarfs der Brennstoffzelle 110 einen gegebenen Schwellenwert überschreitet (die erste Bedingung), oder falls die Summe der Änderungsgeschwindigkeiten der eingangsseitigen Spannung und der ausgangsseitigen Spannung des Brennstoffzellenwandlers 150 einen gegebenen Schwellenwert überschreitet (die zweite Bedingung), die Ablaufsteuerung zur Wandlerstabilisierung durchgeführt werden. Es ist zu beachten, daß die eingestellten Schwellenwerte vorab durch ein Experiment oder dergleichen erhalten werden und in einem (nicht gezeigten) Speicher oder dergleichen gespeichert werden können. Überdies kann der Schwellenwert ein fester Wert sein, kann jedoch in geeigneter Weise entsprechend den Betriebsbedingungen; einer Aktion des Benutzen oder dergleichen eingestellt werden. Nachfolgend wird ein Fall, bei welchem die erste Bedingung als vorgegebene Bedingung eingesetzt wird, als Beispiel beschrieben.
(Aktion)
Die 3 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Ablaufsteuerung im FCHV-System 100 zeigt.
Die Steuerung 160 nimmt verschiedene Signale auf, die von der Fühlergruppe 170 zugeführt werden (beispielsweise das Signal, das den Öffnungsgrad des Fahrpedals anzeigt, das Signal, das die Fahrzeuggeschwindigkeit anzeigt, das Signal, das das den Ausgangsstrom oder die Ausgangsklemmenspannung der Brennstoffzelle 110 anzeigt, etc.), um den Leistungsbedarf für die Last 130 zu berechnen (Schritt S1). Die Steuerung 160 stellt die Verteilung der Ausgangsleistungen der Brennstoffzelle 110 und der Batterie 120 fest und berechnet den Leistungserzeugungsbefehlswert, um den Leistungsbedarf der Brennstoffzelle 110 zu erhalten (Schritt S2). Dann beurteilt die Steuerung 160, ob der Leistungsbedarf der Brennstoffzelle 110 die vorgegebene Bedingung erfüllt (Schritt S3). Wie oben beschrieben, wird bei der vorliegenden Ausführungsform die erste Bedingung (d. h. ob die Änderungsgeschwindigkeit dem Leistungsbedarf der Brennstoffzelle 110 den eingestellten Schwellenwert übersteigt oder nicht), wodurch die Steuerung beurteilt, ob die Änderungsgeschwindigkeit der Leistungsanforderung der Brennstoffzelle 110 den eingestellten Schwellenwert überschreitet oder nicht.
Falls die Steuerung 160 feststellt, daß die Veränderungsgeschwindigkeit des Leistungsbedarfs der Brennstoffzelle 110 den eingestellten Schwellenwert nicht überschreitet (NEIN beim Schritt S103), schreitet die Steuerung zum Schritt S104 fort, um die übliche Aktion zur Ablaufsteuerung durchzuführen. Andererseits, falls ein Fahrer das Fahrpedal tief herunter tritt und dies oder eine andere Aktion rasch den Leistungsbedarf der Brennstoffzelle 110 erhöht, stellt die Steuerung 160 fest, daß die Änderungsgeschwindigkeit der Brennstoffzelle 110 den eingestellten Schwellenwert überschreitet (JA beim Schritt S103), um die Ablaufsteuerung zur Stabilisierung des Wandlers auszuführen (Schritt S105.)
<Übliche Ausführung der Ablaufsteuerung>
Beim Übergang zum Schritt S104 steuert die Steuerung 160 die Zufuhr des Oxidansgases und des Brenngases, so daß die Leistungsmenge die von der Brennstoffzelle 110 erzeugt werden wird, einer Zielmenge entspricht (d. h. dem Leistungserzeugungsbefehlswert der Brennstoffzelle 110).
Des weiteren steuert die Steuerung 160 den Brennstoffzellenwandler 150, um die Ausgangsklemmenspannung Vfc der Brennstoffzelle 110 zu regeln und dadurch den Betriebspunkt (den Ausgangsstrom, die Ausgangsspannung) der Brennstoffzelle 110 zu steuern. Es ist zu beachten, daß die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 110 während der üblichen Ablaufsteuerung ein Verhalten in einem Bereich von beispielsweise 1,0 Volt/Zelle bis 0,6 V/Zelle aufweist. Um das dem Öffnungsgrad des Fahrpedals entsprechende Zieldrehmoment zu erreichen, gibt die Steuerung 160 als Schaltbefehl die Befehlswerte für die Wechselspannungen der U-Phase, der V-Phase und der W-Phase an den Inverter 140 aus, wodurch das Ausgangsdrehmoment und die Drehzahl des Fahrmotors 131 gesteuert wird.
<Ablaufsteuerung zur Wandlerstabilisierung>
Durch den Übergang zum Schritt S105 führt die Steuerung 160 eine in 4 dargestellte Ablaufsteuerung zur Wandlerstabilisierung aus. Der Ablauf wird im Detail beschrieben. Die Steuerung 160 steuert zunächst den Batteriewandler 180 derart, daß die Eingangsspannung Vin des Inverters 140 die eingestellte Zieleingangspannung Vtin wird (siehe Δ in 8) (Schritt S210). Dann, nachdem die Eingangsspannung Vin des Inverters 140 die Zieleingangspannung Vtin erreicht hat, steuert die Steuerung 160 den Brennstoffzellenwandler 150 derart, daß die Ausgangsklemmenspannung Vfc der Brennstoffzelle 110 die eingestellte Zielausgangsklemmenspannung Vtfc wird (Schritt S202), wodurch die Steuerung beendet wird.
Wie oben beschrieben, wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform beurteilt, ob der Leistungsbedarf der Brennstoffzelle 110 der vorgegebenen Bedingung entspricht oder nicht (beispielsweise ob die Veränderungsgeschwindigkeit des Leistungsbedarfs der Brennstoffzelle 110 den eingestellten Schwellenwert überschreitet oder nicht). Falls nach der Steuerung der Eingangsspannung Vin des Inverters 140 durch den Batteriewandler 180 beurteilt wird, daß der Leistungsbedarf der Bedingung entspricht, wird die Ausgangsklemmenspannung Vfc der Brennstoffzelle 110 durch den Brennstoffzellenwandler 150 gesteuert. Durch eine derartige Steuerung ist es nicht erforderlich, daß der Brennstoffzellenwandler 150 jede die Steuerungsgrenze überschreitende Aktion (die Aktion im Frequenzbereich mit steuerbarem Ansprechverhalten) ausführt, und das herkömmliche Problem, daß ein Versagen der Steuerung verursacht wird, kann vorab verhindert werden, wodurch eine stabile Wandlersteuerung realisiert werden kann.
B. Abwandlung

(1) Bei der vorliegenden Ausführungsform als dem Beispiel, bei welchem die Änderungsgeschwindigkeit des Leistungsbedarfs der Brennstoffzelle 110 den Schwellenwert überschreitet, wurde der Fall beschrieben, bei dem der Leistungsbedarf der Brennstoffzelle 110 rasch ansteigt (d. h. der Fall, in dem die Änderungsgeschwindigkeit des Leistungsbedarfs positiv ist), jedoch kann die vorliegende Erfindung in ähnlicher Weise bei einem Falle angewandt werden, in welchem die Änderungsgeschwindigkeit des Leistungsbedarfs der Brennstoffzelle 110 rasch abnimmt (d. h. der Fall, in welchem die Änderungsgeschwindigkeit des Leistungsbedarfs negativ ist).

5 ist ein Ablaufdiagramm, das eine Ablaufsteuerung zur Wandlerstabilisierung gemäß der Abwandlung zeigt.
Falls ein Fahrer tief auf ein Fahrpedal tritt und dies oder eine andere Aktion rasch den Leistungsbedarf von einer Brennstoffzelle 110 erhöht, führt eine Steuerung 160 die in 5 gezeigte Ablaufsteuerung zur Wandlerstabilisierung durch. Die Ablaufsteuerung wird im Detail beschrieben. Die Steuerung 160 steuert zunächst einen Brennstoffzellenwandler 150 derart, daß eine Ausgangsklemmenspannung Vfc der Brennstoffzelle 110 eine vorgegebene Zielausgangsklemmenspannung Vtin erreicht, und einen Batteriewandler 180 derart, daß eine Eingangsspannung Vin eines Inverters 140 eine vorgegebene Zieleingangsspannung (die eingestellte Spannungsanforderung) Vtin wird (Schritt S320), wodurch die Steuerung beendet wird.
Durch eine derartige Steuerung wird vom Brennstoffzellenwandler 150 nicht gefordert, irgendeine Aktion durchzuführen, die die Steuerungsgrenze überschreitet (die Aktion in einem Frequenzbereich mit steuerbarem Ansprechverhalten), und das übliche Problem, daß ein Ausfall der Steuerung verursacht wird, kann vorab verhindert werden, wodurch eine stabile Wandlersteuerung realisiert werden kann.
Dabei kann als ein bei der Abwandlung vorgegebener Zustand, beispielsweise falls die Änderungsgeschwindigkeit der Leistungsanforderung an der Brennstoffzelle 110 einen gegebenen Schwellenwert überschreitet, (die dritte Bedingung) oder falls die Änderungsgeschwindigkeiten der eingangsseitigen und der ausgangsseitigen Spannungen des Brennstoffzellenwandlers 150 den eingestellten Schwellenwert überschreiten (die vierte Bedingung), der Steuerungsablauf bei der Wandlerstabilisierung durchgeführt werden. Es ist zu beachten, daß die eingestellten Schwellenwerte vorab durch einen Versuch oder dergleichen erhalten und in einem (nicht gezeigten) Speicher oder dergleichen gespeichert werden können. Überdies kann der Schwellenwert ein fester Wert sein, kann aber in geeigneter Weise entsprechend den Betriebsbedingungen, der Aktion des Benutzers, oder dergleichen eingestellt und geändert werden.
Zudem wurden bei der obigen Ausführungsform die Charakteristika für Ausgangsstrom und Ausgangsspannung (die I-V-Charakteristika) der Brennstoffzelle 110 nicht speziell erwähnt, jedoch verändern sich die I-V-Charakteristika der Brennstoffzelle 110 entsprechend der Betriebssituation oder dergleichen.
Die 6 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der zuzuführenden Menge des Oxidationsgases und des Brenngases (der Gasdurchfluß) und den I-V-Charakteristika der Brennstoffzelle 110. In 6 werden die Charakteristika F1, F2, F3 und F4 in einer von einem kleinen Gasdurchfluß ausgehenden Reihenfolge gezeigt.
Die Steuerung 160 speichert eine in 6 gezeigte Charakteristika-Tafel aus einem (nicht gezeigten) Speicher und greift zunächst den Durchfluß der Gase durch einen Durchflußmesser oder dergleichen zum entsprechenden Zeitpunkt ab, falls die Ablaufsteuerung zur Wandlerstabilisierung ausgeführt wird. Dann liest die Steuerung 160 die dem abgegriffenen Die Gasdurchfluß entsprechenden I-V-Charakteristika (beispielsweise die I-V-Charakteristik F2, etc.) und erhält einen angezielten Betriebspunkt (den Ausgangsstrom, die Ausgangsspannung) durch Anwendung der gelesenen I-V-Charakteristika. Die folgende Aktion kann in gleicher Weise beschrieben werden, wie bei der gegenwärtigen Ausführungsform, und deshalb wird ihre Beschreibung weggelassen. Auf diese Weise kann eine Mehrzahl von Arten von I-V-Charakteristika der Brennstoffzelle 110 erstellt werden, um den Betriebspunkt durch Anwendung der I-V-Charakteristika, die den Betriebssituationen entsprechen, zu bestimmen.
Beschreibung der Bezugszeichen

100 ... FCHV-System, 110 ... Brennstoffzelle, 120 ... Batterie, 130 ... Last, 140 .... Inverter, 150 ... Brennstoffzellenwandler, 160 ... Steuerung, 170 ... Fühlergruppe und 180 ... Batteriewandler.

Claims

Brennstoffzellensystem (100) umfassend: eine Brennstoffzelle (110) und einen Akkumulator (120), die parallel mit einer Last (130) verbunden sind; einen mit der Last (130) verbundenen Inverter (140); eine zwischen der Brennstoffzelle (110) und dem Inverter (140) vorgesehene erste Spannungswandlereinheit (150) zur Steuerung der Klemmenspannung (Vfc) der Brennstoffzelle (110); eine zwischen dem Akkumulator (120) und dem Inverter (140) vorgesehene zweite Spannungswandlereinheit (180) zur Steuerung der Eingangsspannung (Vin) des Inverters (140); und ein Steuerungsmittel (160) zur Steuerung der Aktionen der entsprechenden Spannungswandlereinheiten, wobei, falls eine von der Brennstoffzelle (110) geforderte Ausgangsleistung erhöht wird, das Steuermittel die Aktion der zweiten Spannungswandlereinheit (180) derart steuert, daß die Eingangsspannung (Vin) des Inverters (140) eine eingestellte, geforderte Spannung (Vtin) erreicht, und dann die Aktion der ersten Spannungswandlereinheit (150) derart steuert, daß die Klemmenspannung (Vfc) der Brennstoffzelle (110) eine der Ausgangsleistung entsprechende, geforderte Ausgangsspannung (Vtfc) wird.
Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1, wobei, falls die Änderungsgeschwindigkeit der von der Brennstoffzelle (110) geforderten Ausgangsleistung einen gegebenen Schwellenwert überschreitet, das Steuermittel die Aktion der zweiten Spannungswandlereinheit (180) derart steuert, daß die Eingangsspannung (Vin) des Inverters (140) die eingestellte, geforderte Spannung (Vtin) erreicht, und dann die Aktion der ersten Spannungswandlereinheit (150) derart steuert, daß die Klemmenspannung (Vfc) der Brennstoffzelle (110) die der Ausgangsleistung entsprechende, geforderte Ausgangsspannung (Vtfc) wird.
Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1, wobei, falls die Summe der Änderungsgeschwindigkeiten der Ausgangsspannung (Vout) und der Eingangsspannung (Vin) der ersten Spannungswandlereinheit (150) einen gegebenen Schwellenwert überschreitet, das Steuermittel die Aktion der zweiten Spannungswandlereinheit (180) derart steuert, daß die Eingangsspannung (Vin) des Inverters (140) die eingestellte, geforderte Spannung (Vtin) erreicht und dann die Aktion der ersten Spannungswandlereinheit (150) derart steuert, daß die Klemmenspannung (Vfc) der Brennstoffzelle (110) die der Ausgangsleistung entsprechende geforderte Ausgangsspannung (Vtfc) wird.
Brennstoffzellensystem (100) umfassend: eine Brennstoffzelle (110) und einen Akkumulator (120), die parallel mit einer Last (130) verbunden sind; einen mit der Last (130) verbundenen Inverter (140); eine zwischen der Brennstoffzelle (110) und dem Inverter (140) vorgesehene erste Spannungs-wandlereinheit zur Steuerung der Klemmenspannung (Vfc) der Brennstoffzelle (110); eine zwischen dem Akkumulator (120) und dem Inverter (140) vorgesehene. zweite Spannungswandlereinheit (180) zur Steuerung der Eingangsspannung (Vin) des Inverters (140); und ein Steuerungsmittel (160) zur Steuerung der Aktionen der entsprechenden Spannungswandlereinheiten, wobei, falls eine von der Brennstoffzelle (110) geforderte Ausgangsleistung abgesenkt wird, das Steuermittel die Aktion der ersten Spannungswandlereinheit (150) derart steuert, daß die Klemmenspannung (Vfc) der Brennstoffzelle (110) eine der Ausgangsleistung entsprechende geforderte Ausgangsspannung (Vtfc) erreicht, und dann die Aktion der zweiten Spannungswandlereinheit (180) derart steuert, daß die Eingangsspannung (Vin) des Inverters (140) eine eingestellte geforderte Spannung (Vtin) wird.
Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 4, wobei, falls die Änderungsgeschwindigkeit der von die Brennstoffzelle (110) geforderten Ausgangsleistung einen gegebenen Schwellenwert überschreitet, das Steuermittel die Aktion der ersten Spannungswandlereinheit (150) derart steuert, daß die Klemmenspannung (Vfc) der Brennstoffzelle (110) die der Ausgangsleistung entsprechende geforderte Ausgangsspannung (Vtfc) erreicht, und dann die Aktion der zweiten Spannungswandlereinheit (180) derart steuert, daß die Eingangsspannung (Vin) des Inverters (140) die eingestellte Spannung wird.
Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 4, wobei, falls die Summe der Änderungsgeschwindigkeiten der Ausgangsspannung (Vout) und der Eingangsspannung (Vin) der ersten Spannungswandlereinheit (150) einen gegebenen Schwellenwert überschreitet, das Steuermittel die Aktion der ersten Spannungswandlereinheit (150) derart steuert, daß die Klemmenspannung (Vfc) der Brennstoffzelle (110) die der Ausgangsleistung entsprechende geforderte Ausgangsspannung (Vtfc) erreicht und dann die Aktion der zweiten Spannungswandlereinheit derart steuert, daß die Eingangsspannung (Vin) des Inverters (140) die eingestellte geforderte Spannung (Vtin) wird.