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Technisches Gebiet
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Die vorliegenden Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem.
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Stand der Technik
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Die nachfolgend genannte Patentschrift 1 offenbart ein Brennstoffzellensystem, in dem eine Brennstoffzelle mit einem als Spannungswandlereinheit dienenden DC-DC-Wandler integriert ist. In diesem Brennstoffzellensystem erlaubt das Integrieren der Brennstoffzelle und des DC-DC-Wandlers, dass der Zustand einer jeden Einheitszelle in der Brennstoffzelle leicht überwacht werden kann, und ein Leistungserzeugungsstrom wird entsprechend dem überwachten Zustand einer jeden Zelleinheit gesteuert. Ferner ist eine Leiterplatte bzw. Platine zwischen einem Verstärkerschalter, der im DC-DC-Wandler enthalten ist, und der Brennstoffzelle angeordnet, wodurch verhindert wird, dass der Durchlasswiderstand (on resistance) des Verstärkerschalters aufgrund der Wärme der Brennstoffzelle zunimmt.
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Dokumente aus dem Stand der Technik
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Patentschriften
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- Patentschrift 1: JP 2007-207582 A
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Kurzfassung der Erfindung
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Mit der Erfindung zu lösende Aufgabe
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Bei einem Brennstoffzellesystem muss die Temperaturabweichung einer Brennstoffzelle so weit möglich verringert werden, um einen effizienten Betrieb zu gewährleisten. Die Temperatur der Brennstoffzelle kann jedoch aufgrund des Einflusses von, z. B. der Außenluft abnehmen. In einem derartigen Fall kann Kondensation in der Brennstoffzelle auftreten, wodurch die Leistungserzeugungseffizienz verringert wird.
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Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um das vorgenannte Problem aus dem Stand der Technik zu lösen, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, das geeignet ist, die Leistungserzeugungseffizienz zu steigern.
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Mittel zu Lösung der Aufgabe
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Um diese Aufgabe zu lösen schlägt die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem vor, aufweisend: eine Brennstoffzelle, die mit einem Brenngas und einem Oxidationsgas versorgt wird und durch eine elektrochemische Reaktion zwischen dem Brenngas und dem Oxidationsgas elektrische Leistung erzeugt; eine Leistungsverbrauchsvorrichtung, die Leistung von der Brennstoffzelle verbraucht; eine Spannungswandlereinheit, die derart ausgestaltet ist, um einen Wärmetransfer mit der Brennstoffzelle zu ermöglichen, und die eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle verstärkt, um die verstärkte Ausgangsspannung an die Leistungsverbrauchsvorrichtung anzulegen; und ein Steuermittel, das einen Schaltmodus eines Verstärkungsschaltelements, das im Spannungswandler enthalten ist, auf einen Hard-Switch-Modus einstellt, wenn eine Temperatur der Brennstoffzelle niedriger ist als ein unterer Grenzwert eines zulässigen Temperaturbereichs gemäß einer Ausgabe der Brennstoffzelle, wobei der Schaltmodus einen Soft-Switch-Modus und den Hard-Switch-Modus umfasst.
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Gemäß der Erfindung kann, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle niedriger ist, als die zulässige Temperatur gemäß der Ausgabe der Brennstoffzelle, der Schaltmodus des Verstärkungsschaltelements in den Hard-Switch-Modus eingestellt werden. Daher kann die Brennstoffzelle unter Verwendung der im Verstärkungsschaltelement erzeugten Wärme aufgewärmt werden.
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Bei dem vorgenannten Brennstoffzellensystem kann das Steuermittel, bei einem Versuch, das Brennstoffzellensystem bei niedriger Temperatur zu starten, den Schaltmodus auf den Hard-Switch-Modus einstellen.
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Mit einer derartigen Konfiguration kann die Brennstoffzelle, bei einem Versuch, das Brennstoffzellensystem bei niedriger Temperatur zu starten, unter Verwendung der im Verstärkungsschaltelement erzeugten Wärme aufgewärmt werden.
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Die dem vorgenannten Brennstoffzellensystem kann, wenn der Schaltmodus der Hard-Switch-Modus ist und bevor die steigende Temperatur der Brennstoffzelle in den zulässigen Temperaturbereich gemäß der Ausgabe der Brennstoffzelle fällt, das Steuermittel den Schaltmodus vom Hard-Switch-Modus in den Soft-Switch-Modus schalten.
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Eine derartige Konfiguration kann das Auftreten eines Überschießens aufgrund eines übermäßigen Anstiegs der Temperatur der Brennstoffzelle verhindern.
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Bei dem vorgenannten Brennstoffzellensystem kann, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle in den zulässigen Temperaturbereich gemäß der Ausgabe der Brennstoffzelle fällt, und die Temperatur der Brennstoffzelle unter eine vorgegebene obere Grenzabnahmerate im Soft-Switch-Modus, der als Schaltmodus verwendet wird, abgenommen hat, das Steuermittel den Schaltmodus vom Soft-Switch-Modus zum Hard-Switch-Modus wechseln.
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Mit einer derartigen Konfiguration kann verhindert werden, dass de Temperatur der Brennstoffzelle übermäßig abnimmt.
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Bei dem vorgenannten Brennstoffzellensystem können die Brennstoffzelle und die Spannungswandlereinheit integral ausgebildet sein, um einen Wärmeübergang zwischen der Brennstoffzelle und der Spannungswandlereinheit zu ermöglichen
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Effekt der Erfindung
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Gemäß der Erfindung kann die Leistungserzeugungseffizienz verbessert werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine schematische Darstellung einer Konfiguration eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform;
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2 ist ein Flußschaubild, das den Ablauf der Schaltmodus-Steuerverarbeitung gemäß der Ausführungsform darstellt; und
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3 ist ein Flußschaubild, das den Ablauf der Schaltmodus-Steuerverarbeitung zum Starten gemäß der Ausführungsform darstellt.
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Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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Eine bevorzugte Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Die nachfolgende Beschreibung beschreibt eine Ausführungsform, bei der das Brennstoffzellensystem der Erfindung als fahrzeuggestütztes Leistungserzeugungssystem in einem Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug (FCHV) verwendet wird. Es sei jedoch angemerkt, dass das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem auf verschiedene andere mobile Objekte (z. B. Roboter, Schiffe und Flugzeuge) als Brennstoffzellen-Hybridfahrzeuge angewandt werden kann. Zudem kann das Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung auch für stationäre Leistungserzeugungssysteme verwendet werden, die als Leistungserzeugungsequipment in Bauwerken (z. B. Häusern und Gebäuden) zum Einsatz kommen.
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Zunächst wird die Konfiguration des Brennstoffzellensystems der Ausführungsform unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. 1 zeigt eine schematische Darstellung des Brennstoffzellensystems gemäß der Ausführungsform.
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Wie in 1 gezeigt, hat ein Brennstoffzellensystem 1: eine Brennstoffzelle 2, die elektrische Leistung durch eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Oxidationsgas und einem Brenngas erzeugt, die als Reaktionsgase dienen; einen FC-Wandler 3 (Spannungswandler-Einheit) in Form eines DC-DC-Wandlers für eine Brennstoffzelle; eine Batterie 4, die als Sekundärbatterie dient; einen BAT-Wandler 5, in Form eines DC-DC-Wandlers für eine Batterie; einen Traktionsinverter 6, der als Last dient; einen Traktionsmotor 7 (Leistungsverbrauchs-Vorrichtung); sowie eine Steuereinheit 8 (Steuermittel), welche das gesamte System zentral steuert. Die Brennstoffzelle 2 und der FC-Wandler 3 sind integral angeordnet, um einen Wärmetransfer zwischen sich zu ermöglichen, und sind im gleichen Gehäuse untergebracht. Es sei angemerkt, dass die Brennstoffzelle 2 und der FC-Wandler 3 nicht unbedingt im gleichen Gehäuse untergebracht sein müssen. Beispielsweise können die Brennstoffzelle 2 und der FC-Wandler 3 in separaten Gehäusen untergebracht sein und können dann miteinander durch Bereitstellen eines Mechanismus, der einen Wärmeaustausch zwischen den Gehäusen zulässt, verbunden werden.
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Die Brennstoffzelle 2 ist beispielsweise eine Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle mit einer Stapelstruktur mit einer Menge von darin gestapelten Einheitszellen. Jede Einheitszelle hat eine Luftelektrode an einer Fläche einer Elektrolytmembran, die aus einer Ionen-Austauschmembran gebildet ist, und eine Brennstoffelektrode an der anderen Seite der Elektrolytmembran, und die Einheitszelle weist ferner ein Paar Separatoren auf, welche die Luftelektrode und die Brenngaselektrode sandwichartig zwischen sich aufnehmen. Bei dieser Konfiguration wird Wasserstoffgas einem Wasserstoffgaspfad eines Separators zugeführt, während Oxidationsgas einem Oxidationsgaspfad des anderen Separators zugeführt wird, und elektrische Leistung wird durch eine chemische Reaktion zwischen diesen Reaktionsgasen erzeugt.
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Der FC-Wandler 3 ist ein Gleichstrom-Spannungswandler und dient zum Verstärken einer Gleichstrom-Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 2 und Ausgeben der resultierenden Gleichstromspannung an den Traktionsinverter 6 und den Traktionsmotor 7. Der FC-Wandler 3 steuert eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 2.
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Der FC-Wandler 3 ist derart konfiguriert, um beispielsweise aufzuweisen: einen Glättungskondensator C1, der eine Gleichstrom-Spannungseingabe von der Brennstoffzelle 2 glättet, eine Verstärkerspule L1 sowie einen Verstärkerschalter S1 (Verstärkungsschaltelement) zum Verstärken einer Gleichstromspannung; einen Resonanzkondensator C2 sowie eine Resonanzspule L2, die eine Resonanzschaltung bilden; einen Resonanzschalter S2, der die Resonanzschaltung ein- und ausschaltet, sowie einen Glättungskondensator C3, der eine Ausgangsspannung des FC-Wandlers 3 glättet. Bei dieser Ausführungsform wird das Soft-Switching des Verstärkerschalters S1 durch Vorsehen der Resonanzschaltung erzielt. Die Details des Soft-Switching werden nachfolgend erklärt.
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Die Batterie 4 umfasst gestapelte Batteriezellen und gibt eine gewisse Hochspannung als Klemmenspannung aus, wobei die Batterie 4 geeignet ist, mit überschüssiger Leistung der Brennstoffzelle 2 geladen zu werden und elektrische Leistung hilfsweise unter der Steuerung eines (nicht dargestellten) Batterie-Computers auszugeben. Der BAT-Wandler 5 ist ein Gleichstrom-Spannungswandler und dient zum Regulieren (Verstärken) einer Gleichstrom-Spannungsausgabe der Batterie 4 und zum Ausgeben der resultierenden Gleichstromspannung zum Traktionsinverter 6 und dem Traktionsmotor 7, und dient ferner zum Regulieren (Verringern) einer Gleichstrom-Spannungsausgabe von der Brennstoffzelle 2 oder dem Traktionsmotor 7 und Ausgeben der resultierenden Gleichstromspannung zur Batterie 4. Diese Funktionen des BAT-Wandlers 5 laden und entladen die Batterie 4.
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Der Traktionsinverter 6 wandelt einen Gleichstrom in einen Dreiphasen-Wechselstrom um und speist den Dreiphasen-Wechselstrom in den Traktionsmotor 7 ein. Der Traktionsmotor 7 ist beispielsweise ein Dreiphasen-Wechselstrommotor, der als Hauptantriebsquelle für ein Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug dient, das mit dem Brennstoffzellensystem 1 ausgestattet ist.
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Die Steuereinheit 8 erfasst den Betätigungsbetrag eines Beschleunigungselements (z. B. eines Gaspedals), das im Brennstoffzellen-Hybridfahrzeug vorgesehen ist, und steuert den Betrieb verschiedener Vorrichtungen im System nach Erhalt von Steuerinformationen, wie zum Beispiel dem benötigten Beschleunigungswert (z. B. der benötigten Leistungserzeugungsmenge für die Leistungsverbrauchsvorrichtungen, wie zum Beispiel dem Traktionsmotor 7). Es sei angemerkt, dass Beispiele der Leistungsverbrauchsvorrichtungen zusätzlich zum Traktionsmotor 7 umfassen: Hilfsvorrichtungen, welche für den Betrieb der Brennstoffzelle 2 notwendig sind (z. B. Motoren für einen Kompressor und eine Wasserstoffpumpe); Aktuatoren, die in verschiedenen Vorrichtungen verwendet werden, die für das Fahren des Fahrzeugs notwendig sind (z. B. ein Getriebe, eine Radsteuervorrichtungen, ein Lenkgetriebe und eine Aufhängung); sowie Klimaanlagen-Vorrichtungen (Klimaanlagen), Beleuchtungsausrüstung sowie ein Audiosystem im Fahrgastraum.
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Die Steuereinheit 8 umfasst physisch beispielsweise eine CPU, einen Speicher sowie ein Eingabe-Ausgabe-Interface. Der Speicher umfasst: ein ROM, das ein Steuerprogramm und Steuerdaten speichert, die von der CPU verarbeitet werden; sowie ein RAM, das primär für verschiedene Arbeitsbereiche für die Steuerverarbeitung verwendet wird. Diese Elemente sind miteinander über einen Bus verbunden. Das Eingabe-Ausgabe-Interface ist mit verschiedenen Sensoren, wie beispielsweise einem Spannungssensor, verbunden, und ist ferner mit verschiedenen Antrieben zum Antreiben des Traktionsmotors 7 etc. verbunden.
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Die CPU führt verschiedene Arten von Steuerverarbeitungen im Brennstoffzellensystem 1 durch Aufnehmen von Erfassungsergebnissen der verschiedenen Sensoren über das Eingabe-Ausgabe-Interface und Verarbeiten der erhaltenen Erfassungsergebnisse unter Verwenden von verschiedenen Daten etc. im RAM, basierend auf dem im ROM gespeicherten Steuerprogramm, aus. Die CPU steuert ferner das gesamte Brennstoffzellensystem 1 durch Ausgeben von Steuersignalen an die verschiedenen Antriebe über das Eingabe-Ausgabe-Interface.
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Die Steuereinheit 8 stellt einen Schaltmodus des Verstärkerschalters S1 ein und führt eine Schaltsteuerung über den Verstärkerschalter S1 gemäß dem eingestellten Schaltmodus aus. Der Schaltmodus des Verstärkerschalters S1 umfasst einen Hard-Switch-Modus und einen Soft-Switch-Modus. Der Hard-Switch-Modus ist ein Modus, bei dem der Verstärkerschalter S1 gemäß der Steueranweisung unabhängig von einem Strom oder Spannungswert ein- oder ausgeschaltet wird. Der Soft-Switch-Modus ist ein Modus, bei dem eine Potenzialdifferenz zwischen Schaltanschlüssen auf Null gesetzt wird, um zu vermeiden, dass ein Strom zwischen den Anschlüssen fließt, und der Verstärkerschalter S1 dann ein- bzw. ausgeschaltet wird.
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Die Vorgänge des Soft-Switching, die durch die Steuereinheit 8 während des Soft-Switch-Modus ausgeführt werden, werden nachfolgend beschrieben. Das Soft-Switching in dieser Ausführungsform wird durchgeführt, um einen Schaltverlust zu eliminieren, der auftritt, wenn der Verstärkerschalter S1 ein- bzw. ausgeschaltet wird.
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Zunächst wird, wenn der Verstärkerschalter S1 von Ein nach Aus geschaltet werden soll, der Verstärkerschalter S1 allmählich von Ein nach Aus geschaltet (Schritt 1). Daher wird ein durch den Verstärkerschalter S1 fließender Strom verringert, so dass ein Strom in Richtung zu einer Diode D3 und dem Resonanzkondensator C2 konvergiert.
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Dann wird, wenn der durch den Verstärkerschalter S1 strömende Strom Null wird, der Verstärkerschalter S1 vollständig von Ein nach Aus geschaltet (Schritt 2). Der Verstärkerschalter S1 kann daher ausgeschaltet werden, wenn kein Strom durch den Verstärkerschalter S1 fließt, wodurch der Schaltverlust gleich Null gesetzt werden kann.
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Daneben fließt ein Strom in den Resonanzkondensator C2, so dass eine elektrische Ladung im Resonanzkondensator C2 gespeichert wird.
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Anschließend wird der Resonanzschalter S2 von Aus nach Ein geschaltet, um die im Resonanzkondensator C2 gespeicherte elektrische Leistung freizugeben (Schritt 3). Daher fließt ein Strom vom Resonanzkondensator C2 über die Resonanzspule L2 und eine Diode D2 in den Glättungskondensator C1, so dass die elektrische Leistung im Glättungskondensator C1 gespeichert wird. Das bedeutet, ein Strom fließt von der Resonanzschaltung in den Glättungskondensator C1, so dass die elektrische Leistung im Glättungskondensator C1 gespeichert wird.
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Die gesamte elektrische Leistung wird dann vom Resonanzkondensator C2 freigegeben, so dass die Spannung des Resonanzkondensators C2 Null wird. Dann wird die Potenzialdifferenz zwischen zwei Enden einer Reihenschaltung, bestehend aus der Diode D3 und dem Resonanzkondensator C2, Null, und die Potenzialdifferenz zwischen den beiden Enden des Verstärkerschalters S1 wird ebenfalls Null.
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Nachdem die elektrische Potenzialdifferenz zwischen den beiden Enden des Verstärkerschalters S1 Null wird, wird der Verstärkerschalter S1 von Aus nach Ein geschaltet (Schritt 4). Somit kann der Verstärkerschalter S1 eingeschaltet werden, wenn kein Strom durch den Verstärkerschalter S1 fließt, und der Schaltverlust kann bei Null gehalten werden.
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Die Steuereinheit 8 setzt den Schaltmodus des Verstärkerschalters S1 auf den Hard-Switch-Modus, wenn beispielsweise die nachfolgenden Bedingungen (1) und (2) erfüllt sind. Das bedeutet, der Schaltmodus wird vom Soft-Switch-Modus zum Hard-Switch-Modus gewechselt.
- (1) Der Fall, bei dem eine Temperatur der Brennstoffzelle 2 niedriger als ein Untergrenzwert eines zulässigen Temperaturbereichs gemäß der Ausgabe der Brennstoffzelle 2 ist. Als Temperatur der Brennstoffzelle 2 kann beispielweise ein Erfassungswert eines Temperatursensors, der die Temperatur der Brennstoffzelle 2 misst, oder ein Erfassungswert eines Temperatursensors, der die Temperatur von Kühlwasser zum Kühlen der Brennstoffzelle 2 misst, verwendet werden. Der zulässige Temperaturbereich gemäß der Ausgabe der Brennstoffzelle 2 wird beispielsweise dadurch erhalten, dass für jede Ausgabe der Brennstoffzelle 2 ein möglicher Bereich für die Temperatur der Brennstoffzelle 2 gefunden wird, der durch Experimente etc. derart bestimmt werden kann, dass er Leistung gemäß der Ausgabe bietet. Der erhaltene zulässige Temperaturbereich wird in einem Kennfeld basierend auf Assoziierungen mit den Ausgaben der Brennstoffzelle 2 gespeichert, und das Kennfeld wird im Speicher gespeichert.
- (2) Der Fall, bei dem die Temperatur der Brennstoffzelle 2 in den zulässigen Temperaturbereich gemäß der Ausgabe der Brennstoffzelle 2 fällt, und die Temperatur der Brennstoffzelle 2 unter eine vorgegebene obere Grenzabnahmerate abgenommen hat. Als die vorgegebene obere Grenzabnahmerate kann beispielsweise eine obere Grenzabnahmerate eingestellt werden, die geeignet ist, durch Schalten des Schaltmodus in den Hard-Switch-Modus, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 2 den unteren Grenzwert des zulässigen Temperaturbereichs erreicht, den Betrieb ohne Verringerung der Leistungserzeugungseffizienz fortzusetzen, selbst wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 2 bei der vorliegenden Abnahmerate weiter sinkt.
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Die Steuereinheit 8 setzt den Schaltmodus des Verstärkerschalters S1 auf den Soft-Switch-Modus, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 2 in den zulässigen Temperaturbereich gemäß der Ausgabe der Brennstoffzelle 2 fällt und die Bedingung (2) nicht zutrifft. Das bedeutet, der Schaltmodus wird vom Hard-Switch-Modus auf den Soft-Switch-Modus gewechselt. Es sei angemerkt, dass die Steuereinheit 8 den Schaltmodus des Verstärkerschalters S1 auf den Soft-Switch-Modus einstellt, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 2 höher als der zulässige Temperaturbereich gemäß der Ausgabe der Brennstoffzelle 2 ist.
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Nachfolgend wird die Schaltmodus-Steuerverarbeitung dieser Ausführungsform unter Bezug auf das Flussschaubild aus 2 erläutert. Diese Schaltmodus-Steuerverarbeitung wird beispielsweise wiederholt ausgeführt, nachdem ein Zündschlüssel eingeschaltet wurde, bis der Betrieb stoppt.
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Zunächst bestimmt die Steuereinheit 8, ob die Temperatur der Brennstoffzelle 2 niedriger als der untere Grenzwert für den zulässigen Temperaturbereich gemäß der Ausgabe der Brennstoffzelle 2 ist oder nicht (Schritt S101). Falls das Ergebnis dieser Bestimmung JA ist (Schritt S101: JA), stellt die Steuereinheit 8 den Schaltmodus des Verstärkerschalters S1 auf den Hard-Switch-Modus (Schritt S104).
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Wenn das Ergebnis der Bestimmung in Schritt S101 zeigt, dass die Temperatur der Brennstoffzelle 2 gleich oder höher als die untere Grenztemperatur des zulässigen Temperaturbereichs gemäß der Ausgabe der Brennstoffzelle 2 ist (Schritt S101: NEIN), dann bestimmt die Steuereinheit 8, ob die Abnahmerate der Temperatur der Brennstoffzelle 2 über der oberen Grenzabnahmerate ist oder nicht (Schritt S102). Falls das Ergebnis der Bestimmung JA ist (Schritt S102: JA), stellt die Steuereinheit 8 den Schaltmodus des Verstärkerschalters S1 auf den Hard-Switch-Modus (Schritt S104).
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Wenn dagegen die Bestimmung in Schritt S102 ergibt, dass die Abnahmerate der Temperatur der Brennstoffzelle 2 gleich oder geringer ist als die obere Grenzabnahmerate ist (Schritt S102: NEIN), stellt die Steuereinheit 8 den Schaltmodus des Verstärkerschalters S1 auf den Soft-Switch-Modus (Schritt S103).
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Wie vorstehend beschrieben, kann gemäß dem Brennstoffzellensystem 1 dieser Ausführungsform, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 2 niedriger als die zulässige Temperatur gemäß der Ausgabe der Brennstoffzelle 2 ist, der Schaltmodus des Verstärkerschalters S1 in den Hard-Switch-Modus eingestellt werden, und daher kann die Brennstoffzelle 2 durch Verwendung der im Verstärkerschalter S1 erzeugten Wärme aufgewärmt werden. Daher kann die Leistungserzeugungs-Effizienz des Brennstoffzellensystems 1 verbessert werden.
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Wenn ferner die Temperatur der Brennstoffzelle 2 die zulässige Temperatur gemäß der Ausgabe der Brennstoffzelle 2 erreicht, kann der Schaltmodus des Verstärkerschalters S1 auf den Soft-Switch-Modus gesetzt werden. Daher kann der Schaltverlust, der auftritt, wenn der Verstärkerschalter S1 ein-/ausgeschaltet wird, eliminiert werden.
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Wenn zudem die Temperatur der Brennstoffzelle in den zulässigen Temperaturbereich gemäß der Ausgabe der Brennstoffzelle 2 fällt und die Temperatur der Brennstoffzelle 2 unter die vorgegebene obere Grenzabnahmerate im Soft-Switch-Modus gefallen ist, der als Schaltmodus verwendet wird, kann der Schaltmodus vom Soft-Switch-Modus zum Hard-Switch-Modus gewechselt werden. Dadurch kann verhindert werden, dass die Temperatur der Brennstoffzelle 2 übermäßig abnimmt.
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Es sei angemerkt, dass bei der vorstehenden Ausführungsform die Schaltmodus-Steuerverarbeitung des Verstärkerschalters S1 während des Betriebs des Brennstoffzellensystems wiederholt ausgeführt wird; jedoch ist die Verarbeitung nicht hierauf beschränkt. Beispielsweise kann eine Schaltmodus-Steuerverarbeitung zum Starten, die nachfolgend beschrieben wird, beim Versuch, das Brennstoffzellensystem zu starten, ausgeführt werden. Diese Schaltmodus-Steuerverarbeitung zum Starten kann in Kombination mit der Schaltmodus-Steuerverarbeitung der vorstehenden Ausführungsform ausgeführt werden, oder es kann nur die Schaltmodus-Steuerverarbeitung zum Starten ausgeführt werden.
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Die Schaltmodus-Steuerverarbeitung zum Starten gemäß einer Abwandlung wird unter Bezugnahme auf das Flussschaubild in 3 beschrieben. Diese Schaltmodus-Steuerverarbeitung zum Starten wird einmal ausgeführt, zum Beispiel, wenn der Zündschlüssel eingeschaltet wird.
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Zunächst bestimmt die Steuereinheit 8, ob ein Aufwärmen notwendig ist (Schritt S201). Ob ein Aufwärmen notwendig ist, kann beispielsweise darauf basierend bestimmt werden, ob eine Außentemperatur so niedrig ist, dass in der Brennstoffzelle erzeugtes Wassers ohne Aufwärmen gefrieren kann. Wenn das Ergebnis der Bestimmung NEIN ist (Schritt S201: NEIN), setzt die Steuereinheit 8 den Schaltmodus des Verstärkerschalters S1 auf den Soft-Switch-Modus (Schritt S207) und führt dann die normale Startverarbeitung aus (Schritt S208). Wenn dagegen die Bestimmung in Schritt S201 ergibt, dass ein Aufwärmen notwendig ist (Schritt S201: JA), stellt die Steuereinheit 8 den Schaltmodus des Verstärkerschalters S1 auf den Hard-Switch-Modus (Schritt S202), und führt dann die Aufwärm-Startverarbeitung durch (Schritt S203).
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Die Steuereinheit 8 bestimmt dann, ob das Aufwärmen beendet wurde (Schritt S204). Wenn das Ergebnis der Bestimmung NEIN ist (Schritt S204: NEIN), führt die Steuereinheit 8 wiederholt diese Erfassung durch. Wenn dagegen die Bestimmung in Schritt S204 ergibt, dass das Aufwärmen beendet wurde (Schritt S204: JA), stellt die Steuereinheit 8 den Schaltmodus des Verstärkerschalters S1 auf den Soft-Switch-Modus (Schritt S205).
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Der Schaltmodus des Verstärkerschalters S1 kann somit auf den Hard-Switch-Modus gesetzt werden, wenn das Brennstoffzellensystem bei niedriger Temperatur gestartet werden soll und ein Aufwärmen notwendig ist. Daher kann die Brennstoffzelle 2 unter Verwendung von Wärme aufgewärmt werden, die erzeugt wird, wenn der Verstärkerschalter S1 ein-/ausgeschaltet wird. Ferner kann, wenn die Brennstoffzelle aufgewärmt wurde, nach dem Ende des Aufwärmens der Schaltmodus des Verstärkerschalters S1 auf den Soft-Switch-Modus geschalten werden. Daher kann ein Schaltverlust, der auftritt, wenn der Verstärkerschalter S1 ein-/ausgeschaltet wird, vermieden werden.
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Obgleich die vorstehende Ausführungsform die Bedingung ansetzt, dass die Temperatur der Brennstoffzelle 2 in den zulässigen Temperaturbereich gemäß der Ausgabe der Brennstoffzelle 2 fällt, wenn der Schaltmodus des Verstärkerschalters S1 vom Hard-Switch-Modus zum Soft-Switch-Modus geschalten wird, muss es nicht unbedingt eine Bedingung sein, dass die Temperatur der Brennstoffzelle 2 in den zulässigen Temperaturbereich fällt. Beispielsweise kann, selbst wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 2 niedriger als die untere Grenztemperatur des zulässigen Temperaturbereichs ist, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle 2 steigt, und zu erwarten ist, dass die Temperatur der Brennstoffzelle 2 auch dann den zulässigen Temperaturbereich erreichen wird, nachdem zum Hard-Switch-Modus geschaltet wurde, der Schaltmodus des Verstärkerschalters S1 zum Soft-Switch-Modus geschaltet werden, bevor die Temperatur der Brennstoffzelle 2 den zulässigen Temperaturbereich erreicht. Somit kann ein Überschießen aufgrund eines übermäßigen Anstiegs der Temperatur der Brennstoffzelle 2 verhindert werden. Hierbei kann beispielsweise durch Verwendung einer vorliegenden Temperatur und einer vorliegenden Temperatur-Erhöhungsrate der Brennstoffzelle, der Menge an vom Verstärkerschalter S1 erzeugten Wärme, etc. festgestellt werden, ob die Temperatur der Brennstoffzelle 2 den zulässigen Temperaturbereich erreicht,
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Gewerbliche Anwendbarkeit
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Das Brennstoffzellensystem der vorliegenden Erfindung ist geeignet, die Leistungserzeugungseffizienz zu Verbessern.
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Bezugszeichenliste
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- 1: Brennstoffzellensystem; 2: Brennstoffzelle; 3: FC-Wandler; 4: Batterie; 5: BAT-Wandler; 6: Traktionsinverter; 7: Traktionsmotor; 8: Steuereinheit; C1, C3: Glättungskondensatoren; C2: Resonanzkondensator; L1: Verstärkerspule; L2: Resonanzspule; S1: Verstärkerschalter; S2: Resonanzschalter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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