DE112009005061T5

DE112009005061T5 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE112009005061T5
Application number: DE112009005061T
Authority: DE
Inventors: Michio Yoshida
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-07-10
Filing date: 2009-07-10
Publication date: 2012-06-28
Anticipated expiration: 2029-07-11
Also published as: WO2011004493A1; DE112009005061B4; US20120115057A1; JP5273249B2; CN102473939B; CN102473939A; JPWO2011004493A1; US8920994B2

Abstract

Ein Brennstoffzellensysten FCS, welches eine Brennstoffzelle FC und einen Motor ES4, der mit der Brennstoffzelle FC verbunden ist, umfasst, sowie auch einen Wandler ES1 der zwischen die Brennstoffzelle FC und den Motor ES4 geschaltet ist, wobei der Wandler ES1 eine Abgabe der Brennstoffzelle FC zum Abgeben an den Motor ES4 einstellt, und eine Steuereinheit EC, welche die Brennstoffzelle FC und denEC gibt an den Wandler ES1 eine Leistungsanforderung oder eine Spannungsanforderung basierend auf einem Betriebsstatus der Brennstoffzelle FC aus und der Wandler ES1 führt wahlweise eine Abgaberegelung, welche eine Zuführleistung, welche an den Motor ES4 abgegeben werden soll, derart einstellt, dass die angeforderte Ausgangsleistung erfüllt ist, oder eine Spannungsregelung aus, welche eine Ausgangsspannung, welche an den Motor ES4 abgegeben werden soll, derart einstellt, dass die angeforderte Ausgangsspannung erfüllt ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, welches eine Brennstoffzelle und eine Last umfasst, die mit der Brennstoffzelle verbunden ist.
Hintergrundtechnik
Als ein Brennstoffzellensystem, welches eine Brennstoffzelle und eine Last, die mit der Brennstoffzelle verbunden ist, umfasst, ist folgendes System bekannt, nämlich ein System, das: die Abgangsspannung des Brennstoffzellensystems mit einem ersten DC-Wandler anhebt und an die Last abgibt; wenn eine nur von der Brennstoffzelle abgegebene Leistung für die von der Last benötigte Leistung unzureichend ist, den Fehlbetrag von einer Speichereinheit durch einen zweiten Gleichstromwandler an die Last abgibt; und, wenn die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle die Leistung für die Last überschreitet, Leistung von der Brennstoffzelle durch den ersten DC-Wandler und den zweiten DC-Wandler an die Speichereinheit abgibt und die Speichereinheit lädt (siehe zum Beispiel Patentdokument 1).
Die Steuereinrichtung in dem Brennstoffzellensystem, die im untenstehenden Patentdokument 1 beschrieben ist, berechnet die Sollleistung für den Motor als die Last, berechnet die Sollspannung des Motors in Übereinstimmung mit der Sollleistung, berechnet den Sollausgangsstrom der Brennstoffzelle, regelt den Sollausgangsstrom als den Sollstrom des ersten DC-Wandlers und regelt die Sollspannung des Motors als die Sollspannung des zweiten DC-Wandlers.
Dokumente zum Stand der Technik
Patentdokument

Patentdokument 1: Japanische Offenlegungsschrift Nr. 2007-318938

Kurzfassung der Erfindung
Durch die Erfindung zu lösendes Problem
Da die Technik, die in dem obigen Patentdokument 1 beschrieben ist, eine Regelung durch Berechnen der Sollspannung und des Sollstroms in Übereinstimmung mit der Sollleistung durchführt, ist eine sogenannte I-V-Berechnung erforderlich, welche das Verhältnis zwischen der Spannung und dem Strom in der Brennstoffzelle berechnet. Da die Sollspannung und der Sollstrom basierend auf dieser I-V-Berechnung bestimmt werden, kann eine Abweichung zwischen der angeforderten Leistung (Führungsleistung) und der Ist-Zuführleistung (Ist-Leistung) auftreten, wenn zum Beispiel die Genauigkeit der I-V-Bestimmung gering ist. Insbesondere wird, wenn die Sollspannung und der Sollstrom in Übereinstimmung mit der Führungsleistung basierend auf der I-V-Bestimmung bestimmt werden und die Sollspannung zum DC-Wandler gerichtet ausgegeben werden soll, sogar falls die Sollspannung ausgegeben werden kann, ein Strom ausgegeben, der von dem korrespondierenden Sollstrom abweichend ist, falls die Genauigkeit der I-V-Bestimmung gering ist, wodurch die Ist-Leistung von der Führungsleistung abweicht. Deshalb ist es sehr wichtig, dass die Genauigkeit der I-V-Bestimmung verbessert wird.
Um die Genauigkeit der I-V-Bestimmung zu verbessern, wurde ein entsprechender Hochgeschwindigkeitsbetrieb in Erwägung gezogen, um einen Lernzyklus der I-V-Bestimmung zu verbessern. Jedoch haben die vorliegenden Erfinder herausgefunden, dass sogar, falls ein solcher Hochgeschwindigkeitsbetrieb durchgeführt wird, Störgeräusche und kapazitive Komponenten der Brennstoffzelle aufgenommen werden können und es schwer ist, die Ist-I-V-Charakteristik der Brennstoffzelle genau zu betreiben.
Die vorliegende Erfindung ist in dem Licht solcher Probleme gemacht worden und ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, das geeignet ist, die Abweichung zwischen der angeforderten Leistung (Führungsleistung) und der tatsächlich zugeführten Leistung (Ist-Leistung) niedrig zu halten.
Mittel zur Lösung des Problems
Um das oben beschriebene Problem zu lösen, weist ein Brennstoffzellensystem nach der vorliegenden Erfindung eine Brennstoffzelle und eine Last, die mit der Brennstoffzelle verbunden ist, auf, wobei das Brennstoffzellensystem umfasst: einen Wandler, der zwischen die Brennstoffzelle und die Last geschaltet ist, wobei der Wandler eine Abgabe der Brennstoffzelle zum Abgeben an die Last einstellt; und eine Steuereinheit, welche die Brennstoffzelle und den Wandler steuert, wobei die Steuereinheit an den Wandler eine angeforderte Leistung oder eine angeforderte Spannung basierend auf einem Betriebsstatus der Brennstoffzelle ausgibt, und wobei der Wandler wahlweise eine Abgaberegelung ausführt, welche eine Zuführleistung, welche an die Last abgegeben werden soll, derart einstellt, dass die angeforderte Ausgangsleistung erfüllt ist, oder eine Spannungsregelung ausführt, welche eine Ausgangsspannung, welche an die Last abgegeben werden soll, derart einstellt, dass die angeforderte Ausgangsspannung erfüllt ist.
Nach dem Brennstoffzellensystem nach der vorliegenden Erfindung gibt die Steuereinheit, welche die Brennstoffzelle und den Wandler steuert, an den Wandler eine angeforderte Leistung oder eine angeforderte Spannung basierend auf einem Betriebsstatus der Brennstoffzelle aus und deshalb können die angeforderte Leistung oder die angeforderte Spannung derart geführt werden, dass sie an den Wandler in Übereinstimmung mit dem Betriebsstatus der Brennstoffzelle abgegeben werden. Wenn die angeforderte Leistung abgegeben wird, führt der Wandler eine Abgaberegelung aus, welche die Zuführleistung, welche an die Last abgegeben werden soll, derart einstellt, dass die angeforderte Ausgangsleistung erfüllt ist, wodurch eine sehr schnelle und hochgenaue Zuführleistungsteuerung durch Einstellen der Spannung in einer Weise ermöglicht wird, dass die angeforderte Leistung und die zugeführte Leistung sofort passen, ohne dass eine Sollspannung durch eine I-V-Bestimmung berechnet werden muss. In der vorliegenden Erfindung wird diese Abgaberegelung wahlweise mit der Spannungsregelung ausgeführt. Die Spannungsregelung stellt eine Ausgangsspannung, welche an die Last abgegeben werden soll, derart ein, dass die angeforderte Spannung erfüllt ist, das Ausführen der Spannungseinstellung, in Übereinstimmung mit dem Betriebsstatus der Brennstoffzelle ermöglicht wird. Zum Beispiel kann während eines intermittierenden Betriebs, da die Leistung nicht bewusst von der Brennstoffzelle abgezogen wird, die Steuerung der Abgaberegelung abweichen. Jedoch kann ein solcher Betriebsstatus auch durch wahlweises Ausführen der Spannungsregelung gemäß der vorliegenden Erfindung beherrscht werden.
Effekt der Erfindung
Nach der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt, welches geeignet ist, eine Abweichung zwischen der angeforderten Leistung (Führungsleistung) und der tatsächlich zugeführten Leistung (Ist-Leistung) niedrig zu halten.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Diagramm, welches eine Konfiguration eines Brennstoffzellensystems zeigt, welches ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist;
2 ist ein Flussdiagramm für eine Abgabesteuerung des Brennstoffzellensystems, welches in 1 gezeigt ist;
3 ist ein Blockdiagramm zum Erläutern einer Leistungsregelung;
4 ist ein Blockdiagramm zum Erläutern einer Spannungsregelung; und
5 ist ein Blockdiagramm zum Erläutern einer konventionellen Regelung.
Modus zum Ausführen der Erfindung
Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Um die Beschreibungen leichter zu verstehen, sind in jeder Zeichnung, wo immer möglich, korrespondierende Bezugsziffern korrespondierenden Komponenten zugewiesen, und wiederholte Beschreibungen werden vermieden.
Zunächst wird ein Brennstoffzellensystem FCS, welches in ein Brennstoffzellenfahrzeug montiert ist, welches das Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist, unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. 1 ist ein Diagramm, welches eine Systemkonfiguration eines Brennstoffzellensystems FCS zeigt, welches als ein fahrzeugseitiges Energieversorgungssystem für ein Brennstoffzellenfahrzeug dient. Das Brennstoffzellensystem FCS kann in Fahrzeugen, wie zum Beispiel Brennstoffzellenhybridfahrzeugen (FCHV), elektrischen Fahrzeugen und Hybridfahrzeugen montiert sein.
Das Brennstoffzellensystem FCS ist mit einer Brennstoffzelle FC, einem Oxidationsgas-Versorgungssystem ASS, einem Brennstoffgas-Versorgungssystem FSS, einem Leistungssystem ES, einem Kühlsystem CS und einer Steuerung EC versehen. Die Brennstoffzelle FC wird mit einem Reaktionsgas (Brennstoffgas, Oxidationsgas) versorgt, um Leistung zu erzeugen. Das Oxidationsgas-Versorgungssystem ASS ist ein System zum Zuführen von Luft als ein Oxidationsgas zu der Brennstoffzelle FC. Das Brennstoffgas-Versorgungssystem FSS ist ein System zum Zuführen von Wasserstoffgas als ein Brennstoffgas zu der Brennstoffzelle FC. Das Leistungssystem ES ist ein System zum Steuern des Ladens/Entladens von Leistung. Das Kühlsystem CS ist ein System zum Kühlen der Brennstoffzelle FC. Die Steuerung EC ist eine Steuerung, die das gesamte Brennstoffzellensystem FCS zentral steuert.
Die Brennstoffzelle FC ist als ein Polymer-Elektrolytmembran-Brennstoffzellenstapel konfiguriert, in welchem eine Mehrzahl von Zellen (eine einzelne Batterie umfassend eine Anode, eine Kathode und ein Elektrolyt (Generator)) in Reihe gestapelt sind. In der Brennstoffzelle FC tritt während eines normalen Betriebs an der Anode eine Oxidationsreaktion auf, welche durch die nachfolgende Formel (1) repräsentiert wird, und eine Reduktionsreaktion, die durch die nachfolgende Formel (2) repräsentiert wird, tritt an der Kathode auf. Eine Elektrizität erzeugende/elektromotorische Reaktion, die durch die nachfolgende Formel (3) repräsentiert wird, tritt in der gesamten Brennstoffzelle FC auf. H₂ → 2H⁺ + 2e^– (1) (1/2)O₂ + 2H⁺ + 2e^– → H₂O (2) H₂ + (1/2)O₂ → H₂O (3)
Das Oxidationsgas-Zuführsystem ASS schließt einen Oxidationsgas-Strömungskanal AS3 und einen Oxidationsabgas-Strömungskanal AS4 ein. Der Oxidationsgas-Strömungskanal AS3 ist ein Strömungskanal, in welchem das Oxidationsgas strömt, das der Kathode der Brennstoffzelle FC zugeführt wird. Der Oxidationsabgas-Strömungskanal AS4 ist ein Strömungskanal, in welchem das Oxidationsabgas strömt, welches von der Brennstoffzelle FC abgegeben wird.
Der Oxidationsgas-Strömungskanal AS3 ist mit einem Luftkompressor AS2 und einem Befeuchter AS5 versehen. Der Luftkompressor AS2 ist ein Kompressor zum Einführen von Oxidationsgas aus der Atmosphäre durch einen Filter AS1. Der Befeuchter AS5 ist ein Befeuchter zum Befeuchten des Oxidationsgases, das durch den Luftkompressor AS2 komprimiert wird.
Der Oxidationsabgas-Strömungskanal AS4 ist mit einem Drucksensor S6, einem Staudruck-Regulierventil A3 und einem Befeuchter AS5 versehen. Das Staudruck-Regulierventil A3 ist ein Ventil zum Regeln des Zuführdrucks des Oxidationsgases. Der Befeuchter AS5 ist zum Austauschen von Wasser zwischen dem Oxidationsgas (trockenem Gas) und dem Oxidationsabgas (feuchtem Gas) vorgesehen.
Das Brennstoffgaszuführsystem FSS schließt eine Brennstoffgaszuführquelle FS1, einen Brennstoffgas-Strömungskanal FS3, einen Zirkulationsströmungskanal FS4, eine Zirkulationspumpe FS5 und einen Abgas-/Abflussströmungskanal FS6 ein. Der Brennstoffgas-Strömungskanal FS3 ist ein Strömungskanal in dem das Brennstoffgas, welches von der Brennstoffgaszuführquelle FS1 zu der Anode der Brennstoffzelle FC zugeführt wird, strömt. Der Zirkulationsströmungskanal FS4 ist ein Strömungskanal zum Rückführen eines Brennstoffabgases, welches von der Brennstoffzelle abgegeben wird, an den Brennstoffgas-Strömungskanal FS3. Die Zirkulationspumpe FS5 ist eine Pumpe zum Pumpen von Brennstoffgas in dem Zirkulationsströmungskanal FS4 zu dem Brennstoffgas-Strömungskanal FS3. Der Abgas-/Abflussströmungskanal FS6 ist ein Strömungskanal, welcher von dem Zirkulationsströmungskanal FS4 abzweigt.
Die Brennstoffgaszuführquelle FS1 ist zum Beispiel aus einem Hochdruck-Wasserstofftank und einer Wasserstoff absorbierenden Legierung gebildet und die Brennstoffgaszuführquelle FS1 ist konfiguriert, um Wasserstoffgas bei einem Hochdruck (z. B. 35 MPa bis 70 MPa) darin zu speichern. Wenn ein Absperrventil H1 geöffnet wird, strömt Brennstoffgas von der Brennstoffgaszuführquelle FS1 in den Brennstoffgas-Strömungskanal FS3 aus. Das Brennstoffgas wird auf zum Beispiel 200 kPa durch einen Regler H2 und eine Düse FS2 entspannt und der Brennstoffzelle FC zugeführt.
Der Brennstoffgas-Strömungskanal FS3 ist mit einem Absperrventil H1, einem Regler H2, einer Düse FS2, einem Absperrventil H3 und einem Drucksensor S4 versehen. Das Absperrventil H1 ist ein Ventil zum Absperren oder Ermöglichen einer Zuführung von Brennstoffgas von der Brennstoffgaszuführquelle FS1. Der Regler H2 regelt den Druck des Brennstoffgases. Die Düse FS2 steuert die Zuführmenge des Brennstoffgases zu der Brennstoffzelle FC. Das Absperrventil H3 ist ein Ventil zum Absperren der Zufuhr von Brennstoffgas zu der Brennstoffzelle FC.
Der Regler H2 ist eine Einrichtung zum Regulieren des Drucks an seiner stromaufwärtigen Seite (Primärdruck) auf einen vorbestimmten Sekundärdruck und er ist zum Beispiel aus einem mechanischen Druckminderventil, welches den Primärdruck mindert, gebildet. Das mechanische Druckminderventil hat eine Konfiguration, in welcher: ein Gehäuse vorgesehen ist, das eine Staudruckkammer und eine Druckregelkammer aufweist, die durch eine Membran getrennt sind; und mit dem Staudruck in der Staudruckkammer wird der Primärdruck auf einen vorbestimmten Druck in der Druckregelkammer gemindert, wodurch der Sekundärdruck erreicht wird. Der Regler H2 ist stromaufwärts von der Düse FS2 vorgesehen, wodurch der Druck stromaufwärts der Düse FS2 effektiv gemindert werden kann.
Die Düse FS2 ist ein An-Aus-Ventil eines elektromagnetisch betriebenen Typs, welches eine Konfiguration aufweist, in welcher ein Ventilkörper direkt durch eine elektromagnetische Antriebskraft mit einer vorbestimmten Antriebsdauer angetrieben wird, um von einem Ventilsitz abgehoben zu werden, wodurch die Gasströmungsgeschwindigkeit und der Gasdruck reguliert werden. Die Düse FS2 umfasst einen Ventilsitz, der eine Düsenbohrung aufweist, durch welche gasförmiger Brennstoff, wie beispielsweise ein Brenngas eingeblasen wird, einen Düsenkörper zum Zuführen und Führen von gasförmigen Brennstoffs zu der Düsenbohrung; und einen Ventilkörper, welcher gehalten ist, um im Verhältnis zu dem Düsenkörper in axialer Richtung (Gasströmungsrichtung) beweglich aufgenommen zu werden und welcher die Düsenbohrung öffnet und schließt.
Der Ventilkörper der Düse FS2 wird durch einen Elektromagneten angetrieben, welcher eine elektromagnetisch angetriebene Einrichtung ist, und eine Gaseinspritzdauer und eine Gaseinspritzzeit der Düse FS2 kann durch Steuersignale gesteuert werden, die von der Steuerung EC ausgegeben werden. In der Düse FS2 wird, um Gas mit einer Strömungsgeschwindigkeit zuzuführen, die stromabwärts erforderlich ist, wenigstens der Öffnungsbereich (Grad der Öffnung) und/oder die Öffnungszeit des Ventilkörpers, der in dem Gasströmungskanal der Düse FS2 vorgesehen ist, geändert, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit (oder die Wasserstoff-Molkonzentration) des Gases eingestellt wird, welches zur stromabwärtigen Seite zugeführt wird.
Der Zirkulationsströmungskanal FS4 ist mit einem Absperrventil H4 versehen und ein Abgas-/Ablassströmungskanal FS6 ist mit dem Zirkulationsströmungskanal FS4 verbunden. Der Abgas-/Ablassströmungskanal FS6 ist mit einem Abgas-/Ablassventil H5 versehen. Das Abgas-/Ablassventil H5 ist ein Ventil, um Brennstoffabgas, welches Verschmutzungen und Feuchtigkeit enthält, in den Zirkulationsströmungskanal FS4 in Übereinstimmung mit den Befehlen der Steuerung EC abzulassen. Durch Öffnen des Abgas-/Ablassventils H5 wird die Konzentration von Verunreinigungen, die in dem Brennstoffabgas in dem Zirkulationsströmungskanal FS4 enthalten sind, vermindert, was es ermöglicht, die Wasserstoffkonzentration in dem Brennstoffabgas, welches in dem Zirkulationssystem zirkuliert, zu erhöhen.
Das Brennstoffabgas, welches durch das Abgas-/Ablassventil H5 abgelassen wird, wird mit dem Oxidationsabgas, welches in dem Oxidationsabgas-Strömungskanal AS4 strömt, gemischt und die Mischung mit einem Verdünner (nicht gezeigt) verdünnt. Die Zirkulationspumpe FS5 zirkuliert und führt das Brennstoffabgas in dem Zirkulationssystem durch einen Motorantrieb zu der Brennstoffzelle FC.
Das Leistungssystem ES schließt einen DC-Wandler ES1, eine Batterie ES2, einen Traktionsinverter ES3, einen Traktionsmotor ES4 und Hilfseinrichtungen ES5 ein. Das Brennstoffzellensystem FCS ist als ein paralleles Hybridsystem konfiguriert, in welchem der DC-Wandler ES1 und der Traktionsinverter ES3 parallel mit der Brennstoffzelle FC geschaltet sind.
Der DC-Wandler ES1 hat eine Funktion, die Gleichstromspannung, die von der Batterie ES2 zugeführt wird, zu erhöhen und die resultierende Gleichstromspannung an den Traktionsinverter ES3 abzugeben, und eine Funktion, die Gleichstromleistung, die durch die Brennstoffzelle FC erzeugt wird, oder die regenerative Leistung, die durch den Traktionsmotor ES4 über regeneratives Bremsen gesammelt wird, zu verringern und die Batterie ES2 mit der resultierenden Leistung zu laden. Diese Funktionen des DC-Wandlers ES1 steuern das Laden und das Entladen der Batterie ES2. Die Spannungsumwandlungssteuerung durch den DC-Wandler ES1 steuert einen Betriebspunkt (Abgabeklemmenspannung und Abgabestrom) der Brennstoffzelle FC. Die Brennstoffzelle FC ist mit einem Spannungssensor S1 und einem Stromsensor S2 versehen. Der Spannungssensor S1 ist ein Sensor zum Erfassen der Abgabeklemmenspannung der Brennstoffzelle FC. Der Stromsensor S2 ist ein Sensor zum Erfassen des Abgabestroms der Brennstoffzelle FC.
Die Batterie ES2 funktioniert als eine Speicherquelle von Überschussleistung, als eine Speicherquelle für regenerative Leistung während des regenerativen Bremsens und als ein Energiepuffer während einer Lastschwankung in Folge von Beschleunigung oder Verzögerung des Brennstoffzellenfahrzeugs. Die Batterie ES2 ist vorzugsweise durch einen Akkumulator, wie beispielsweise eine Nickel-/Kadmium-Speicherbatterie, eine Nickel-/Wasserstoff-Speicherbatterie oder eine Lithium-Akkumulator gebildet. Die Batterie ES2 ist mit einem SOC-Sensor S3 zum Erfassen des SOC (Status der Ladung) versehen.
Der Traktionsinverter ES3 ist zum Beispiel ein PWM-Inverter, der durch ein Pulsweitenmodulationsverfahren angetrieben wird. In Übereinstimmung mit Steuerbefehlen der Steuerung EC wandelt der Traktionsinverter ES3 eine Gleichstromspannungsabgabe der Brennstoffzelle FC oder der Batterie ES2 in eine Drei-Phasen-Wechselspannung, wodurch er ein Rotationsmoment des Traktionsmotors ES4 steuert. Der Traktionsmotor ES4 ist zum Beispiel ein Drei-Phasen-Wechselstrommotor und bildet eine Energiequelle des Brennstoffzellenfahrzeugs.
Die Hilfseinrichtung ES5 ist ein generischer Name für Motoren, die in den jeweiligen Einheiten des Brennstoffzellensystems FCS angeordnet sind (z. B. Energiequellen für Pumpen und so weiter), Inverter zum Antreiben dieser Motoren und verschiedene am Fahrzeug montierte Hilfseinrichtungen (z. B. einen Luftkompressor, eine Düse, eine Kühlwasserzirkulationspumpe und einen Radiator).
Das Kühlsystem CS schließt einen Radiator CS1, eine Kühlmittelpumpe CS2, einen Kühlmittelzuführkanal CS3 und einen Kühlmittelrückführkanal CS4 ein. Der Radiator CS1 führt Wärme von dem Kühlmittel zum Kühlen der Brennstoffzelle FC ab, um die Brennstoffzelle FC zu kühlen. Die Kühlmittelpumpe CS2 ist eine Pumpe zum Zirkulieren des Kühlmittels zwischen der Brennstoffzelle FC und dem Radiator CS1. Der Kühlmittelzuführkanal CS3 ist ein Strömungskanal, welcher den Radiator CS1 und die Brennstoffzelle FC verbindet und der Kühlmittelzuführkanal CS3 ist mit einer Kühlmittelpumpe CS2 versehen. Das Antreiben der Kühlmittelpumpe CS2 ermöglicht es dem Kühlmittel, von dem Radiator CS1 zu der Brennstoffzelle FC durch den Kühlmittelzuführkanal FS3 zu strömen. Der Kühlmittelrückführkanal CS4 ist ein Strömungskanal, der die Brennstoffzelle FC mit dem Radiator CS1 verbindet, und der Kühlmittelrückführkanal CS4 ist mit einem Wassertemperatursensor S5 versehen. Das Antreiben der Kühlmittelpumpe CS2 ermöglicht es dem Kühlmittel, welches die Brennstoffzelle FC kühlt, zurück zu dem Radiator CS1 zu strömen.
Die Steuerung EC (Steuereinheit) ist ein Computersystem, welches eine CPU, ROM, RAM und eine Eingabe-/Ausgabe-Schnittstelle enthält, und die jeweiligen Einheiten des Brennstoffzellensystems FCS steuert. Zum Beispiel startet, wenn ein Zündsignal IG-Ausgabe von einem Zündschalter erhalten wird, die Steuerung EC den Betrieb des Brennstoffzellensystems FCS. Anschließend erhält die Steuerung EC die angeforderte Leistung des gesamten Brennstoffzellensystems FCS basierend auf einem Beschleunigungs-Öffnungsgrad-Signal ACC, welches von einem Beschleunigungssensor ausgegeben wird, einer Ausgabe eines Fahrzeuggeschwindigkeitssignals VC von einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor und so weiter. Die angeforderte Leistung des gesamten Brennstoffzellensystems FCS ist ein Gesamtwert von Fahrzeugantriebsleistung und der Hilfsmaschinenleistung.
Die Hilfseinrichtungsleistung schließt z. B. Leistungsverbrauch durch am Fahrzeug montierte Hilfseinrichtungen (Befeuchter, Luftkompressor, Wasserstoffpumpe, Kühlwasserzirkulationspumpe, usw.), Leistung, die durch Einrichtungen verbraucht wird, die zum Fahrzeugantrieb erforderlich sind (Wechselgetriebe, Radsteuereinrichtung, Lenkeinrichtung, Lagereinrichtung, usw.), und Leistung, die durch Einrichtungen verbraucht wird, die in einem Fahrgastraum angeordnet sind (Klimaanlagen-Einrichtung, Beleuchtungs-Einrichtung, Audio-Ausrüstung), ein.
Die Steuerung EC ermittelt eine Ausgangsspannungsverteilung zwischen der Brennstoffzelle FC und der Batterie ES2. Zusätzlich steuert die Steuerung EC das Oxidationsgaszuführsystem ASS und das Brennstoffgaszuführsystem FSS, sodass die Menge von Leistung, die durch die Brennstoffzelle FC erzeugt wird, mit der Sollleistung korrespondiert, und gibt auch ein Indikatorsignal an den DC-Wandler ES1, wodurch er eine Umwandlungssteuerung durch den DC-Wandler ES1 und eine Steuerung des Betriebspunktes (Abgabeklemmspannung und Abgabestrom) der Brennstoffzelle FC steuert. Um ein Solldrehmoment in Übereinstimmung mit dem Beschleunigungsöffnungsgrad zu erhalten, gibt die Steuerung EC darüber hinaus zum Beispiel die jeweiligen Wechselspannungssteuerwerte einer U-Phase, einer V-Phase und einer W-Phase als Schaltbefehl an den Traktionsinverter ES3 aus und steuert das Ausgangsdrehmoment und die Drehgeschwindigkeit des Traktionsmotors ES4. Zusätzlich steuert die Steuerung EC das Kühlmittelsystem CS, um die Brennstoffzelle FC bei einer geeigneten Temperatur zu halten.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 2, 3, 4 und 5 eine Betriebspunktsteuerung der Brennstoffzelle FC durch die Steuerung EC und den DC-Wandler ES1 beschrieben. 2 ist ein Flussdiagramm, welches eine Betriebspunktsteuerung der Brennstoffzelle FC durch die Steuerung EC und den DC-Wandler ES1 zeigt. 3 ist ein Blockdiagramm zum Erläutern einer Leistungsregelung. 4 ist ein Blockdiagramm zum Erläutern einer Spannungsregelung. 5 ist Blockdiagramm zum Erläutern einer konventionellen Regelung.
In Schritt S01 entscheidet die Steuerung EC, ob der augenblickliche Betriebsmodus ein Betriebsmodus ist oder nicht, der zum Abgeben von Leistung von der Brennstoffzelle FC gedacht ist. Der Betriebsmodus, der zum Abgeben von Leistung von der Brennstoffzelle FC gedacht ist, wird als normaler Betriebsmodus bezeichnet. Auf der anderen Seite ist ein Betriebsmodus, der nicht für ein Abgeben der Leistung von der Brennstoffzelle FC gedacht ist, ein Betriebsmodus, wie beispielsweise ein intermittierender Betriebsmodus, ein Start- oder ein Stopp-Modus und ein Unter-Null-Start-Modus. Wenn der vorliegende Betriebsmodus der Betriebsmodus ist, der zum Abgeben der Leistung von der Brennstoffzelle FC gedacht ist, schreitet das Verfahren zu S02, und wenn der vorliegende Betriebsmodus der Modus ist, der nicht zum Abgeben von Leistung von der Brennstoffzelle FC gedacht ist, schreitet das Verfahren zu Schritt S03.
In Schritt S02 wird eine FC-Führungsleistung als eine angeforderte Leistung von der Steuerung EC an den DC-Wandler ES1 ausgegeben und der DC-Wandler ES1 führt eine Leistungsregelung durch. Wie in 3 gezeigt, berechnet der DC-Wandler ES1 die FC-Leistungsabweichung 23 (= FC-Führungsleistung 21 – erzeugte FC-Leistung 22) durch eine Abweichung zwischen der Ausgabe von FC-Führungsleistung 21 von der Steuerung EC und der erzeugten FC-Leistung 22 der Brennstoffzelle FC. Eine PID-Korrektur 24 (proportionale Korrektur (P-Korrektur), integrale Korrektur (I-Korrektur) und Differentialkorrektur (D-Korrektur)) wird auf diese FC-Leistungsabweichung 23 ausgeführt und eine Umwandler-Führungs-Spannung als eine Regelgröße ausgegeben.
In der vorliegenden Erfindung wird FC-Führungsleistung 21 als die angeforderte Leistung wie oben beschrieben ausgegeben und eine Leistungsregelung wird basierend auf der Abweichung zwischen der FC-Führungsleistung 21 und der erzeugten FC-Leistung 22 durchgeführt. Deshalb kann eine Hochgeschwindigkeits- und hochgenaue Leistungsteuerung ohne Durchführung einer I-V-Bestimmung durchgeführt werden. Zum Vergleich wird unten eine konventionelle Regelung unter Bezugnahme auf 5 beschrieben. Wie in 5 gezeigt, führt der DC-Wandler basierend auf einer Ausgabe von FC-Führungsleistung 41 von der Steuerung eine Umwandlung von Leistung zu einer Spannung basierend auf I-V-Bestimmung durch und berechnet die FC-Führungsspannung 42. Durch die Abweichung zwischen der FC-Führungsspannung 42 und der FC-Ist-Spannung 43 wird die FC-Spannungsabweichung 44 (= FC-Führungsspannung – FC Ist-Spannung) berechnet. Eine PID Korrektur 45 wird an dieser FC-Spannungsabweichung 44 durchgeführt und eine Wandler-Führungsspannung als eine Regelgröße ausgegeben. Dementsprechend kann die FC-Führungsspannung 42, welche angemessen zu der FC-Führungsleistung 41 korrespondiert, nicht berechnet werden, falls die Genauigkeit der I-V-Bestimmung niedrig ist, und dementsprechend wird eine Abweichung zwischen der FC-Führungsleistung 41 und der tatsächlich erzeugten FC-Ist-Leistung vorliegen. Die FC-Spannungsabweichung 44 wird basierend auf der Eingabe, die in einer solchen Weise abweicht, berechnet, und eine genaue Steuerung kann nicht durchgeführt werden, sogar falls die PID-Korrektur 45 durchgeführt wird und die Wandlerführungsspannung ausgegeben wird. Falls die Genauigkeit der I-V-Bestimmung niedrig ist, würde das Ergebnis dasselbe sein, sogar falls die Bearbeitungsgeschwindigkeit schneller gemacht wird, und der Leistungsfehler kann nicht vermieden werden. Mit Bezug auf dieses ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die I-V-Bestimmung von vorn herein, wie oben beschrieben, unnötig und deshalb kann eine hoch genaue Leistungsteuerung realisiert werden.
Zurückkommend auf 2 wird in Schritt S03 die FC-Führungsspannung als eine angeforderte Spannung basierend auf dem Betriebsstatus der Brennstoffzelle FC von der Steuerung EC an den DC-Wandler ES1 ausgegeben und der DC-Wandler ES1 führt eine Spannungsregelung durch. Wie oben beschrieben wird das Verfahren von S03 während eines Betriebsmodus durchgeführt, der nicht zum Abgeben von Leistung von der Brennstoffzelle FC gedacht ist (unterbrochener Betriebsmodus, Start- und Stopp-Modus, Unter-Null-Startmodus usw.). Falls die Leistungsregelung in diesem Fall durchgeführt wird, wird, zum Beispiel in einem Fall eines unterbrochenen Betriebsmodus, die Menge von Leistung, die zu erzeugen ist, nicht erhöht, da kein Brennstoffgas der Brennstoffzelle FC zugeführt wird, selbst wenn die Betriebspunktspannung durch den DC-Wandler ES1 geändert wird, wodurch eine Möglichkeit verursacht wird, dass ein integraler Term (I-Korrektur-Term) während die PID-Steuerung abweicht. Das vorliegende Ausführungsbeispiel fokussiert auf die Tatsache, dass von vorne herein keine detaillierte Steuerung der Leistung erforderlich ist, wenn keine Veranlassung zum Abgeben von Leistung von der Brennstoffzelle FC vorliegt, und führt eine Spannungsregelung durch.
Noch genauer, wie in 4 gezeigt, berechnet der DC-Wandler ES1 die FC-Spannungsabweichung 33 (= FC-Führungsspannung 31 – Ist-FC-Spannung 32) durch die Abweichung zwischen der Ausgabe der FC-Führungsspannung 31 von der Steuerung EC und der Ist-FC-Spannung 32 der Brennstoffzelle FC. Eine PID-Korrektur 34 (proportionale Korrektur (P-Korrektur), integrale Korrektur (I-Korrektur) und Differentialkorrektur (D-Korrektur)) wird an der FC-Spannungsabweichung 33 durchgeführt und eine Wandlerführungsspannung als eine Regelgröße ausgegeben.
Beschreibung von Bezugsziffern

FCS ... Brennstoffzellensystem; FC ... Brennstoffzelle; ASS... Oxidationsgaszuführsystem; AS1 ... Filter; AS2 ... Luftkompressor; AS3 ... Oxidationsgas-Strömungskanal; AS4 ... Oxidationsabgas-Strömungskanal; AS5 ... Befeuchter; A3 ... Staudruckregelventil; CS ... Kühlsystem; CS1 ... Radiator; CS2 ... Kühlmittelpumpe; CS3 ... Kühlmittelzuführkanal; CS4 ... Kühlmittelrückführkanal; FSS ... Brennstoffgaszuführsystem; FS1 ... Brennstoffgaszuführquelle; FS2 ... Düse; FS3 ... Brennstoffgas-Zuführkanal; FS4 ... Zirkulationsströmungskanal; FS5 ... Zirkulationspumpe; FS6 ... Abgas-/Abflussströmungskanal; H1 ... Absperrventil; H2 ... Regler; H3 ... Absperrventil; H4 ... Absperrventil; H5 ... Abgas-/Abflussventil; ES ... Leistungssystem; ES1 ... DC-Wandler; ES2 ... Batterie; ES3 ... Traktionsinverter; ES4 ... Traktionsmotor; ES5 ... Hilfseinrichtung; EC ... Steuerung; S1 ... Spannungssensor; S2 ... Stromsensor; S3 ... SOC-Sensor; S4, S6: Drucksensor; S5 ... Wassertemperatursensor; ACC ... Beschleunigungseröffnungsgradsignal; IG ... Zündsignal; VC ... Fahrzeuggeschwindigkeitssignal.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2007-318938 [0004]

Claims

Brennstoffzellensysten, welches eine Brennstoffzelle und eine Last, die mit der Brennstoffzelle verbunden ist, aufweist, wobei das Brennstoffzellensystem umfasst: einen Wandler, der zwischen die Brennstoffzelle und die Last geschaltet ist, wobei der Wandler eine Abgabe der Brennstoffzelle zum Abgeben an die Last einstellt; und eine Steuereinheit, welche die Brennstoffzelle und den Wandler steuert, wobei die Steuereinheit an den Wandler angeforderte Leistung oder eine angeforderte Spannung basierend auf einem Betriebsstatus der Brennstoffzelle ausgibt, und wobei der Wandler wahlweise eine Abgaberegelung ausführt, welche eine Zuführleistung, welche an die Last abgegeben werden soll, derart einstellt, dass die angeforderte Ausgangsleistung erfüllt ist, oder eine Spannungsregelung ausführt, welche eine Ausgangsspannung, welche an die Last abgegeben werden soll, derart einstellt, dass die angeforderte Ausgangsspannung erfüllt ist.