DE112009005101B4

DE112009005101B4 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE112009005101B4
Application number: DE112009005101.4T
Authority: DE
Inventors: Kenji Umayahara
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-07-29
Filing date: 2009-07-29
Publication date: 2016-01-07
Anticipated expiration: 2029-07-30
Also published as: US20120020128A1; US8658324B2; CN102473941A; WO2011013212A1; DE112009005101B8; DE112009005101T5; JPWO2011013212A1; CN102473941B; JP5110411B2

Abstract

Brennstoffzellensystem (FCS), aufweisend:
eine Brennstoffzelle (FC); und
eine mit der Brennstoffzelle (FC) verbundene Last (ES4);
wobei das Brennstoffzellensystem (FCS) ferner aufweist:
einen Wandler (ES6), der zwischen der Brennstoffzelle (FC) und der Last (ES4) angeordnet ist, und der die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (FC) erhöht, um die Spannung zu der Last (ES4) auszugeben;
einen Inverter (ES3), der eine von dem Wandler (ES6) ausgegebene Gleichstromleistung in eine Wechselstromleistung umwandelt, um die Leistung zu der Last (ES4) auszugeben;
eine Steuerung (EC), welche die Brennstoffzelle (FC), den Wandler (ES6) und den Inverter (ES3) steuert; und
einen Stromsensor (S2), der einen zwischen dem Wandler (ES6) und dem Inverter (ES3) fließenden Strom erfasst,
wobei die Steuerung den Inverter (ES3) steuert, um die Soll-Ausgangsspannung des Inverters (ES3) zu erhöhen, wenn der durch den Stromsensor (S2) erfasste Strom einen vorbestimmten Stromschwellenwert übersteigt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle und einer mit der Brennstoffzelle verbundenen Last.
STAND DER TECHNIK
Als Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle und einer mit der Brennstoffzelle verbundenen Last ist ein in der JP 2007-318938 A beschriebenes System bekannt. In diesem System wird die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle durch einen ersten DC/DC-Wandler erhöht und an die Last ausgegeben. Ferner wird eine benötigte Leistung für die Last knapp, wenn lediglich die Ausgabe der Brennstoffzelle zugeführt wird. In diesem Fall wird eine Leistung von einem Akkumulator zu der Last über einen zweiten DC/DC-Wandler ausgegeben, um die Knappheit auszugleichen. Wenn die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle die Leistung der Last übersteigt, wird die Leistung aus der Brennstoffzelle zu dem Akkumulator durch den ersten und zweiten DC/DC-Wandler zugeführt, um den Akkumulator zu laden.
Bei einer Steuervorrichtung des in der JP 2007-318938 A beschriebenen Brennstoffzellensystems wird die Soll-Leistung eines Motors als Last berechnet. Die Steuervorrichtung berechnet die Soll-Spannung des Motors in Übereinstimmung mit dessen Soll-Leistung, um den Soll-Ausgangsstrom der Brennstoffzelle zu berechnen. Die Steuervorrichtung regelt bzw. steuert den Soll-Ausgangsstrom als Soll-Strom des ersten DC/DC-Wandlers rückgekoppelt und regelt bzw. steuert die Soll-Spannung des Motors als Soll-Spannung des zweiten DC/DC-Wandlers rückgekoppelt.
Weitere Brennstoffzellensysteme der eingangs genannten Art, bei denen eine Last mit der von einer Brennstoffzelle erzeugten Leistung versorgt werden, und entsprechende Steuerverfahren hierfür, sind Gegenstand der Druckschriften US 2007/0275276 A1 , US 2005/0197751 A1 , US 2008/0220299 A1 und US 2006/0257698 A1 .
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Durch die Erfindung zu lösendes Problem
Eine in der JP 2007-318938 A beschriebene Technik berechnet eine Soll-Spannung und einen Soll-Strom in Übereinstimmung mit einer Soll-Leistung, um eine Rückkopplungssteuerung bzw. -regelung auszuführen. Es wird zudem angenommen, dass ein hoher Strom zwischen einem ersten DC/DC-Wandler als Aufwärtswandler bzw. Hochsetzsteller und einem zweiten DC/DC-Wandler oder einem Inverter fließt. Bei einem derartigen Brennstoffzellensystem bilden der zweite DC/DC-Wandler, der Inverter und dergleichen eine Leistungssteuereinrichtung (PCU, PCU: power control unit). Der erste DC/DC-Wandler ist mit der PCU gelegentlich über ein Leistungskabel verbunden. In diesem Fall kann ein den zulässigen Strom einer Stromleitung (das Leistungskabel) übersteigender hoher Strom fließen.
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts eines derartigen Problems entwickelt und deren Aufgabe ist es, ein Brennstoffzellensystem mit einem Aufbau bzw. einer Gestaltung zu schaffen, in welcher kein Strom fließt, der den zulässigen Strom einer sich von der Brennstoffzelle zu einem Inverter erstreckenden Stromleitung bzw. Leistungsleitung übersteigt.
Mittel zum Lösen des Problems
Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem zum Erreichen der vorstehend erläuterten Aufgabe ist ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle und einer mit der Brennstoffzelle verbundenen Last. Dieses Brennstoffzellensystem weist einen Wandler, der zwischen der Brennstoffzelle und der Last dazwischen angeordnet ist und der die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle erhöht, um die Spannung zu der Last auszugeben; einen Inverter, der eine von dem Wandler ausgegebene Gleichstromleistung in eine Wechselstromleistung wandelt, um die Leistung zu der Last auszugeben; eine Steuerung, welche die Brennstoffzelle, den Wandler und den Inverter steuert; und einen Stromsensor auf, der einen zwischen dem Wandler und dem Inverter fließenden Strom erfasst. Die Steuerung steuert den Inverter, um die Soll-Ausgangsspannung des Inverters zu erhöhen, wenn der durch den Stromsensor erfasste Strom einen vorbestimmten Stromschwellenwert übersteigt.
Erfindungsgemäß ist es möglich den von dem Wandler, der die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle erhöht, zu dem Inverter fließenden Strom zu erfassen, da der Stromsensor zum Erfassen des zwischen dem Wandler und dem Inverter fließenden Stroms angeordnet ist. Der durch eine sich von der Brennstoffzelle zu dem Inverter erstreckende Stromleitung fließende Strom kann erfasst werden. Die Steuerung steuert den Inverter, um die Soll-Ausgangsspannung des Inverters zu erhöhen, wenn der durch den Stromsensor erfasste Strom den vorbestimmten Stromschwellenwert übersteigt. Selbst wenn es wahrscheinlich ist, dass ein unverhältnismäßig hoher Strom durch die sich von der Brennstoffzelle zu dem Inverter erstreckende Stromleitung fließt, kann die Soll-Ausgangsspannung des Inverters erhöht werden, um dessen Strom zu unterdrücken bzw. nieder zu halten.
Um die vorstehend erläuterte Aufgabe zu erreichen, ist das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle und einer mit der Brennstoffzelle verbundenen Last. Dieses Brennstoffzellensystem weist einen Wandler, der zwischen der Brennstoffzelle und der Last angeordnet ist und der die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle erhöht, um die Spannung der Last auszugeben; einen Inverter, der eine von dem Wandler ausgegebene Gleichstromleistung in eine Wechselstromleistung wandelt, um die Leistung der Last auszugeben; eine Steuerung, welche die Brennstoffzelle, den Wandler und den Inverter steuert; und einen Temperatursensor auf, der die Temperatur der Strom- bzw. Leistungsleitung zwischen dem Wandler und dem Inverter erfasst. Die Steuerung steuert den Inverter, um die Soll-Ausgangsspannung des Inverters zu erhöhen, wenn die durch den Temperatursensor erfasste Temperatur einen vorbestimmten Temperaturschwellenwert übersteigt.
Erfindungsgemäß ist es möglich, die Temperatur zwischen dem Inverter und dem Wandler, der die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle erhöht, zu erfassen, da der Temperatursensor zum Erfassen der Temperatur der Stromleitung zwischen dem Wandler und dem Inverter angeordnet ist. Die tatsächliche Temperatur der sich von der Brennstoffzelle zu dem Inverter erstreckenden Stromleitung kann erfasst werden. Die Steuerung steuert den Inverter, um die Soll-Ausgangsspannung des Inverters zu erhöhen, wenn die durch den Temperatursensor erfasste Temperatur den vorbestimmten Temperaturschwellenwert übersteigt. Beispielsweise kann ein derartiger Betrieb, um die Soll-Ausgangsspannung des Inverters zu halten, ausgeführt werden, wenn eine Umgebungstemperatur gering und der zulässige Strom der Stromleitung hoch ist. Andererseits kann die Soll-Ausgangsspannung des Inverters erhöht werden, um dessen Strom zu unterdrücken bzw. niedrig zu halten, wenn ein unverhältnismäßig hoher Strom durch die sich von der Brennstoffzelle zu dem Inverter erstreckende Stromleitung fließt, um die Temperatur der Stromleitung zu erhöhen. Ein Betrieb, bei dem der Effizienz Priorität einräumt wird, kann in Übereinstimmung mit dem Zustand der Stromleitung ausgeführt werden.
Effekt der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Brennstoffzellensystem mit einem Aufbau bzw. einer Gestaltung geschaffen werden, bei der kein Strom fließt, der den zulässigen Strom einer sich von einer Brennstoffzelle zu einem Inverter erstreckenden Stromleitung übersteigt.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Es zeigt:
1 ein Diagramm, das einen Aufbau eines Brennstoffzellensystems nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform darstellt;
2 ein Flussdiagramm, das die Soll-Spannungssteuerung des in 1 dargestellten Brennstoffzellensystems betrifft;
3 ein Flussdiagramm, das eine Soll-Spannungsteuerung unter Berücksichtigung des Verlusts des FC Aufwärtswandlers betrifft;
4 ein Flussdiagramm, das die Soll-Spannungssteuerung unter Berücksichtigung des Ansteuerns eines Antriebsmotors betrifft;
5 ein Flussdiagramm, das die Soll-Spannungssteuerung unter Berücksichtigung einer Temperatur betrifft;
6 ein Diagramm zum Erläutern einer Soll-Spannung in der in 2 dargestellten Soll-Spannungssteuerung; und
7 ein Diagramm zur Erläuterung einer Soll-Spannung in der in 4 dargestellten Soll-Spannungssteuerung.
BESTE ART UND WEISE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Nachstehend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die begleitenden Figuren beschrieben. Um das Verständnis der Beschreibung zu erleichtern, werden soweit dies möglich ist die gleichen Bestandteile in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine redundante Beschreibung verzichtet wird.
Zunächst wird ein in einem Brennstoffzellenfahrzeug befestigtes Brennstoffzellensystem FCS nach der erfindungsgemäßen Ausführungsform mit Bezug auf 1 beschrieben. 1 zeigt ein Diagramm, welches einen Systemaufbau des Brennstoffzellensystems FCS darstellt, das als ein auf einem Fahrzeug befestigtes Leistungsquellensystem des Brennstoffzellenfahrzeugs dient. Das Brennstoffzellensystem FCS kann in einem Fahrzeug befestigt werden, wie z. B. einem Brennstoffzellenhybridfahrzeug (FCHV, FHCV: fuel cell hybrid vehicle), einem Elektrofahrzeug oder einem Hybridfahrzeug.
Das Brennstoffzellensystem FCS weist eine Brennstoffzelle FC, ein Oxidiergas-Zuführsystem ASS, ein Brennstoffgas-Zuführsystem FSS, ein Leistungssystem ES, ein Kühlsystem CS und eine Steuerung EC auf. Die Brennstoffzelle FC empfängt eine Zufuhr eines Reaktionsgases (ein Brennstoffgas und ein Oxidiergas), um eine Leistung zu erzeugen. Das Oxidiergas-Zuführsystem ASS ist ein System zum Zuführen von Luft als Oxidiergas zur Brennstoffzelle FC. Das Brennstoffgas-Zuführsystem FSS ist ein System zum Zuführen von Wasserstoffgas zur Brennstoffzelle FC. Das Leistungssystem ES ist ein System zum Steuern des Ladens/Endladens der Leistung. Das Kühlsystem CS ist ein System zum Kühlen der Brennstoffzelle FC. Die Steuerung EC (eine Steuereinheit) ist eine Steuerung, die im Allgemeinen das gesamte Brennstoffzellensystem FCS steuert.
Die Brennstoffzelle FC weist einen Aufbau eines Zellenstapels in Form eines Feststoffpolymerelektrolyten auf, in dem eine große Anzahl von Zellen (Einzelzellen (Leistungserzeuger), wobei jede eine Anode, eine Kathode und einen Elektrolyten aufweist) in Serie gestapelt sind. Während eines gewöhnlichen Betriebs tritt in der Brennstoffzelle FC auf der Anode eine oxidierende Reaktion der Formel (1) auf und auf der Kathode eine reduzierende Reaktion der Formel (2) auf. Eine elektromotorische Reaktion der Formel (3) tritt in der gesamten Brennstoffzelle FC auf. H₂ → 2H⁺ + 2e^– (1) ½O₂ + 2H⁺ + 2e^– → H₂O (2) H₂ + ½O₂ → H₂O (3)
Das Oxidiergas-Zuführsystem ASS weist einen Oxidiergas-Strömungsweg AS3 und einen Oxidierabgas-Strömungsweg AS4 auf. Der Oxidiergas-Strömungsweg AS3 ist ein Strömungsweg, durch den das oxidierende Gas bzw. Oxidiergas fließt, um zu der Kathode der Brennstoffzelle FC zugeführt zu werden. Der Oxidierabgas-Strömungsweg AS4 ist ein Strömungsweg, durch den ein von der Brennstoffzelle FC abgegebenes Oxidierabgas strömt.
Der Oxidiergas-Strömungsweg AS3 ist mit einem Luftkompressor AS2 und einem Befeuchter AS5 vorgesehen. Der Luftkompressor AS2 ist ein Kompressor, der das Oxidiergas von der Atmosphäre durch einen Filter AS1 aufnimmt. Der Befeuchter AS5 ist ein Befeuchter bzw. Luftbefeuchter, der das durch den Luftkompressor AS2 unter Druck gesetzte Oxidiergas befeuchtet.
Der Oxidierabgas-Strömungsweg AS4 ist mit einem Drucksensor S6, einem Gegendruckregler A3 und dem Befeuchter AS5 vorgesehen. Der Gegendruckregler 3 ist ein Ventil zum Regeln des Zuführdrucks des Oxidiergases. Der Befeuchter AS5 ist vorgesehen, um den Austausch des Wassers zwischen dem Oxidiergas (einem trockenen Gas) und einem Oxidierabgas (einem feuchten Gas) auszuführen.
Das Brennstoffgas-Zuführsystem FSS weist eine Brennstoffgas-Zuführquelle FS1, einen Brennstoffgas-Strömungsweg FS3, einen Kreislauf-Strömungsweg FS4, eine Kreislaufpumpe FS5 und einen Gas/Wasser-Abgabe-Strömungsweg SF6 auf. Der Brennstoffgas-Strömungsweg FS3 ist ein Strömungsweg, durch den das Brennstoffgas strömt, um von der Brennstoffgas-Zuführquelle FS1 zur Anode der Brennstoffzelle zugeführt zu werden. Der Kreislauf-Strömungsweg FS4 ist ein Strömungsweg zum Zurückführen eines von der Brennstoffzelle FC abgegebenen Brennstoffabgases zu dem Brennstoffgas-Strömungsweg FS3. Die Kreislaufpumpe FS5 ist eine Pumpe, welche das Brennstoffabgas unter Druck in den Kreislauf-Strömungsweg FS4 zu dem Brennstoffgas-Strömungsweg FS3 befördert. Der Gas/Wasser-Abgabe-Strömungsweg FS6 ist ein Strömungsweg, der zu dem Kreislauf-Strömungsweg FS4 abgezweigt und verbunden ist.
Die Brennstoffgas-Zuführquelle FS1 ist z. B. aus einem Hochdruck-Wasserstofftank, einer Wasserstoffspeicherlegierung oder dergleichen ausgebildet und speichert das Wasserstoffgas mit hohem Druck (z. B. von 35 MPa bis 70 MPa). Wenn ein Abschaltventil H1 geöffnet wird, strömt das Brennstoffgas der Brennstoffgas-Zuführquelle FS1 zu dem Brennstoffgas-Strömungsweg FS3 heraus. Der Druck des Brennstoffgases wird z. B. um bzw. auf etwa 200 kPa durch einen Regler H2 oder einen Injektor FS2 verringert, und das Gas wird zu der Brennstoffzelle FC zugeführt.
Der Brennstoffgas-Strömungsweg FS3 ist mit dem Abschaltventil H1, dem Regler H2, dem Injektor FS2, einem Abschaltventil H3 und einem Drucksensor S4 vorgesehen. Das Abschaltventil H1 ist ein Ventil zum Abschalten oder Ermöglichen des Zuführens des Brennstoffgases von der Brennstoffgas-Zuführquelle FS1. Der Regler H2 regelt den Druck des Brennstoffgases. Der Injektor FS2 steuert die Zuführmenge des Brennstoffgases zu der Brennstoffzelle FC. Das Abschaltventil H3 ist ein Ventil zum Abschalten der Zufuhr von Brennstoffgas zu der Brennstoffzelle FC.
Der Regler H2 ist eine Vorrichtung, welche deren stromaufwärtsseitigen Druck (der Primärdruck) in einen voreingestellten Sekundärdruck regelt. Der Regler H2 besteht z. B. aus einem mechanischen Druckreduzierungsventil zum Reduzieren des Primärdrucks und dergleichen. Das mechanische Druckreduzierungsventil weist ein Gehäuse auf, in dem eine Gegendruckkammer und eine Druckregulierungskammer mit einer dazwischen angeordneten Membran ausgebildet sind. Das Druckreduzierungsventil weist einen Aufbau auf, in dem der Primärdruck in der Druckregulierungskammer zu einem vorbestimmten Druck durch den Gegendruck in der Gegendruckkammer verringert wird, um den Sekundärdruck zu erhalten. Der Regulator H2 kann an der Stromaufwärtsseite des Injektors FS2 angeordnet sein, um effektiv den stromaufwärtsseitigen Druck des Injektors FS2 zu verringern.
Der Injektor FS2 ist ein AN-AUS-Ventil vom Typ einer elektromagnetischen Ansteuerung, in dem ein Ventilkörper direkt durch eine elektromagnetische Antriebskraft für eine vorbestimmte Ansteuerperiode angetrieben werden kann und von einem Ventilsitz gelöst werden kann, um eine Gasströmungsrate oder einen Gasdruck zu regulieren.
Der Injektor FS2 weist einen Ventilsitz mit einer Düsenöffnung, durch die ein gasartiger Brennstoff, wie z. B. das Brennstoffgas, ausgestrahlt bzw. ausgestoßen wird, einen Düsenkörper, der den gasartigen Brennstoff zu der Düsenöffnung zuführt und leitet, und den Ventilkörper auf, der derart enthalten und gehalten ist, dass er in axiale Richtung (Gasströmungsrichtung) bezüglich diesem Düsenkörper bewegbar ist, um die Düsenöffnung zu öffnen und zu schließen.
Der Ventilkörper des Injektors FS2 wird durch einen Solenoid bzw. Magneten angesteuert, der eine elektromagnetische Ansteuervorrichtung ist, und einen Aufbau aufweist, in dem die Gasausstoßzeit und der Gasausstoßzeitpunkt des Injektors FS2 durch ein von der Steuerung EC ausgegebenes Steuersignal gesteuert werden kann. Um das Gas bei einer an der Stromabwärtsseite des Injektors FS2 benötigten Strömungsrate zuzuführen, variiert der Injektor FS2 zumindest den Öffnungsbereich (den Öffnungsgrad) und/oder die Öffnungszeit des in dem Gas-Strömungsweg des Injektors vorgesehenen Ventilkörpers, um dadurch die Strömungsrate (oder die Wasserstoffmolarkonzentration) des Gases zu regeln, um auf der Stromabwärtsseite zugeführt zu werden.
Der Kreislauf-Strömungsweg FS4 ist mit einem Abschaltventil H4 vorgesehen und mit dem Gas/Wasser-Abgabe-Strömungsweg FS6 verbunden. Der Gas/Wasser-Abgabe-Strömungsweg FS6 ist mit einem Gas/Wasser-Abgabeventil H5 vorgesehen. Das Gas/Wasser-Abgabeventil H5 ist ein Ventil, das in Übereinstimmung mit einem Befehl aus der Steuerung EC betrieben wird, um das Verunreinigungen in dem Kreislauf-Strömungsweg FS4 enthaltende Brennstoffabgas und Wasser nach außen abzugeben. Das Gas/Wasser-Abgabeventil H5 ist geöffnet, um die Konzentration der in dem Brennstoffabgas in dem Kreislauf-Strömungsweg FS4 enthaltenen Verunreinigungen zu senken, wobei die Konzentration an Wasserstoff in dem durch ein Kreislaufsystem zirkulierenden Brennstoffabgas erhöht werden kann.
Das durch das Gas/Wasser-Abgabeventil H5 abgegebene Brennstoffabgas wird mit dem durch den Oxidierabgas-Strömungsweg AS4 strömenden Oxidierabgas gemischt und durch einen Verdünner (nicht gezeigt) verdünnt. Die Kreislaufpumpe FS5 wird durch einen Motor angetrieben, um das Brennstoffabgas in einem Kreislaufsystem zu der Brennstoffzelle FC zu zirkulieren und zuzuführen.
Das Leistungssystem ES weist einen DC/DC-Wandler ES1, eine Batterie ES2, einen Antriebsinverter ES3, einen Antriebsmotor ES4, zusätzliche bzw. Hilfs-Maschinen ES5 und einen FC Hochsetzsteller bzw. Aufwärtswandler ES6 auf. Das Brennstoffzellensystem FCS weist einen Aufbau eines parallelen Hybridsystems auf, bei dem der DC/DC-Wandler ES1 und der Antriebsinverter ES3 parallel mit der Brennstoffzelle FC verbunden sind. Der DC/DC-Wandler ES1 und der Antriebsinverter ES3 bilden eine Leistungssteuereinrichtung (PCU).
Der FC Aufwärtswandler ES6 ist ein DC/DC-Wandler mit einer Funktion der Erhöhung der Ausgabespannung der Brennstoffzelle FC, um die Spannung zu dem Antriebsinverter ES3 und dem Antriebsmotor ES4 auszugeben. Der DC/DC-Wandler ES1 weist eine Funktion der Erhöhung einer von der Batterie ES2 zugeführten Gleichstromspannung auf, um die Spannung zu dem Antriebsinverter ES3 auszugeben. Der DC/DC-Wandler ES 1 weist eine Funktion des Absenkens einer durch die Brennstoffzelle FC erzeugten Gleichstromleistung oder einer durch den Antriebsmotor ES4 gesammelten regenerativen Leistung durch regeneratives Bremsen auf, um die Leistung in der Batterie ES2 zu laden. Durch diese Funktionen des DC/DC-Wandlers ES1 wird das Laden/Entladen der Batterie ES2 gesteuert. Ferner wird eine Spannungsumwandlung durch den DC/DC-Wandler ES1 gesteuert, um dadurch den Betriebspunkt (eine Ausgabeanschlussspannung bzw. Ausgabeklemmenspannung und einen Ausgabestrom) der Brennstoffzelle FC zu steuern. Ein Spannungssensor S1 und ein Stromsensor S2 sind an der Brennstoffzelle FC angebracht. Der Spannungssensor S1 ist ein Sensor zum Erfassen der Spannung eines Ausgabeanschlusses der Brennstoffzelle FC, die durch den FC Hochsetzsteller ES6 erhöht wird. Der Stromsensor S2 ist ein Sensor zum Erfassen des Abgabestroms der Brennstoffzelle FC. Ferner ist ein Temperatursensor S7 zum Erfassen der Temperatur einer Stromleitung zwischen dem Hochsetzsteller ES6 und dem Antriebsinverter ES3 angeordnet.
Die Batterie ES2 arbeitet als eine Speicherquelle einer Überschussleistung, eine regenerative Energiespeicherquelle während dem regenerativen Bremsen, oder ein Energiepuffer während Lastschwankungen, welche die Beschleunigung oder die Verzögerung des Brennstoffzellenfahrzeugs begleiten. Als Batterie ES2 ist z. B. eine Nickel/Cadmium-Akkumulatorbatterie, eine Nickel/Wasserstoff-Akkumulatorbatterie oder eine Sekundärbatterie, wie z. B. eine Lithium-Sekundärbatterie, geeignet. Ein SOC-Sensor S3 zum Erfassen eines Ladezustands (SOC) ist an der Batterie ES2 angebracht.
Der Antriebsinverter ES3 ist z. B. ein durch z. B. ein Pulsweitenmodulationssystem angetriebener PWM-Inverter. Der Antriebsinverter ES3 wandelt die von der Brennstoffzelle FC oder der Batterie ES2 ausgegebene Gleichstromspannung in eine Dreiphasen-Wechselstromspannung in Übereinstimmung mit einem Steuerbefehl aus der Steuerung EC um, um das Drehmoment des Antriebsmotors ES4 zu steuern. Der Antriebsmotor ES4 ist z. B. ein Dreiphasen-Wechselstrommotor und bildet eine Leistungsquelle des Brennstoffzellenfahrzeugs.
Die zusätzlichen bzw. Hilfs-Maschinen ES5 enthalten im Allgemeinen in Einheiten des Brennstoffzellensystems FCS (z. B. Leistungsquellen für Pumpen, usw.) angebrachte Motoren, Inverter zum Antreiben dieser Motoren und verschiedene auf dem Fahrzeug befestigte zusätzliche Maschinen (z. B. den Luftkompressor, den Injektor, eine Kühlwasser-Kreislaufpumpe, einen Kühlkörper, usw.).
Das Kühlsystem CS weist einen Kühlkörper CS1, eine Kühllösungspumpe CS2, einen Kühllösungsbeförderungsweg bzw. Kühllösungsvorwärtsweg CS3 und einen Kühllösungsrückführweg CS4 auf. Der Kühlkörper CS1 strahlt die Wärme einer Kühllösung zum Kühlen der Brennstoffzelle FC ab, um die Lösung zu kühlen. Die Kühllösungspumpe CS2 ist eine Pumpe zum Zirkulieren der Kühllösung zwischen der Brennstoffzelle FC und dem Kühlkörper CS1. Der Kühllösungsbeforderungsweg CS3 ist ein den Kühlkörper CS1 mit der Brennstoffzelle FC verbindender Strömungsweg und ist mit der Kühllösungspumpe CS2 vorgesehen. Wenn die Kühllösungspumpe CS2 angetrieben wird, strömt die Kühllösung von dem Kühlkörper CS1 über den Kühllösungsbeforderungsweg CS3 zu der Brennstoffzelle FC. Der Kühllösungsrückführweg CS4 ist ein die Brennstoffzelle FC mit dem Kühlkörper CS1 verbindender Strömungsweg und ist mit einem Wassertemperatursensor S5 vorgesehen. Wenn die Kühllösungspumpe CS2 angetrieben wird, kehrt die Kühllösung, welche die Brennstoffzelle FC gekühlt hat, zu dem Kühlkörper CS1 zurück.
Die Steuerung EC (die Steuereinheit) ist ein Computersystem mit einer CPU, einem ROM, einem RAM und einer Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle, und steuert die Einheiten des Brennstoffzellensystems FCS. Die Steuerung EC startet z. B. den Betrieb des Brennstoffzellensystems FCS beim Erhalten eines von einem Zündschalter ausgegebenen Startsignals IG. Danach erhält die Steuerung EC die Anforderungsleistung des gesamten Brennstoffzellensystems FCS basierend auf einem aus einem Gaspedalsensor ausgegebenen Gaspedal-Öffnungsgradsignal ACC, einem von einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor ausgegebenen Fahrzeuggeschwindigkeitssignal VC oder dergleichen. Die Anforderungsleistung des gesamten Brennstoffzellensystems FCS ist ein Gesamtwert einer Fahrzeugfahrleistung und einer Hilfs- bzw. Zusatzmaschinen-Leistung.
Hier enthält eine Zusatzmaschinen-Leistung eine durch zusätzliche Maschinen, die auf dem Fahrzeug befestigt sind, (den Befeuchter, Luftkompressor, Wasserstoffpumpe, Kühlwasserkreislaufpumpe, usw.) konsumierte Leistung, eine durch benötigte Vorrichtungen zum Antrieb des Fahrzeugs (ein Getriebe, Radsteuervorrichtung, Lenkvorrichtung, Federungsvorrichtung, usw.) konsumierte Leistung, eine durch Vorrichtungen, die in einem Insassenraum (eine Klimaanlage, Beleuchtungskörper, Audio, usw.) angebracht sind, konsumierte Leistung und dergleichen.
Ferner bestimmt die Steuerung EC die Verteilung der Ausgabeleistung der Brennstoffzelle FC und der Batterie ES2. Die Steuerung ES steuert das Oxidiergas-Zuführsystem ASS und das Brennstoffgas-Zuführsystem FSS derart, dass der Betrag bzw. die Menge der durch die Brennstoffzelle FC erzeugten Leistung mit einer Soll-Leistung übereinstimmt. Ferner gibt die Steuerung EC ein Befehlssignal an den DC/DC-Wandler ES aus, ermöglicht dem DC/DC-Wandler ES die Wandlersteuerung auszuführen, und steuert den Betriebspunkt (die Ausgabeklemmenspannung bzw. Ausgabeanschlussspannung und den Ausgabestrom) der Brennstoffzelle FC. Darüber hinaus gibt die Steuerung EC z. B. Wechselstromspannungsbefehlswerte von U-, V- und W-Phasen als Schaltbefehle zu dem Antriebsinverter ES3 aus, um ein Soll-Drehmoment in Übereinstimmung mit dem Gaspedal-Öffnungsgrad zu erhalten, und dadurch das Ausgabedrehmoment und die Drehfrequenz des Antriebsmotors ES4 zu steuern. Zudem steuert die Steuerung EC das Kühlsystem CS, sodass die Brennstoffzelle FC eine geeignete Temperatur aufweist.
Als nächstes wird die Soll-Spannungssteuerung des Antriebsinverters ES3 mit Bezug auf 2 beschrieben. In Schritt S01 wird der Ausgabestrom des FC Hochsetzstellers ES6 durch den Stromsensor S2 erfasst.
In Schritt S02 im Anschluss zu Schritt S01 wird beurteilt, ob der in Schritt S01 erfasste Ausgabestrom über einem zulässigen Strom ist oder nicht. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird der FC Aufwärtswandler ES6 über eine Stromleitung (Leistungskabel) mit der PCU verbunden, dadurch wird der zulässige Strom durch diese Stromsleitung bestimmt. Wenn der Ausgabestrom über dem zulässigen Strom ist, schreitet die Verarbeitung zu Schritt S03 fort. Wenn der Ausgabestrom nicht über dem zulässigen Strom ist, schreitet die Verarbeitung zu Schritt S04 fort.
In dem Schritt S03 wird der Soll-Spannungswert des Antriebsinverters ES3 erhöht. Wenn der Soll-Spannungswert des Antriebsinverters ES3 erhöht wird, sinkt der durch die Stromleitung zwischen dem FC Aufwärtswandler ES6 und der PCU fließende Strom konsequent und kann nicht mehr als der zulässige Strom der Stromleitung sein. 6 zeigt eine Beziehung zwischen der Abgabe des FC Aufwärtswandler ES6 und dem Ausgabestrom des FC Aufwärtswandler. In diesem Fall sinkt der Ausgabestrom bezüglich der gleichen Abgabe, wenn der Soll-Spannungswert des Antriebsinverters ES3 erhöht wird (z. B. V1 von 6). Wenn der Soll-Spannungswert des Antriebsinverters ES3 verringert wird (z. B. V3 von 6), steigt der Ausgabestrom bezüglich der gleichen Abgabe. Auf diese Weise wird der Soll-Spannungswert des Antriebsinverters ES3 in Übereinstimmung mit dem zulässigen Strom der Stromleitung zwischen dem FC Aufwärtswandler E56 und der PCU bestimmt.
In dem Schritt S04 wird der Soll-Spannungswert des Antriebsinverters ES3 auf den Soll-Antriebsspannungswert des Antriebsmotors ES4 gestellt und eine gewöhnliche Steuerung wird ausgeführt.
In der Soll-Spannungssteuerung des Antriebsinverters ES3 wird der Verlust des FC Aufwärtswandlers ES6 gemäß einer bevorzugten Konfiguration berücksichtigt. Die Soll-Spannungssteuerung des Antriebsinverters ES3 unter Berücksichtigung des Verlusts des FC Aufwärtswandlers ES6 wird mit Bezug auf 3 beschrieben.
In dem Schritt S11 wird die Abgabe der Brennstoffzelle FC erfasst. In Schritt S12 im Anschluss zu Schritt S11 wird die Abgabe des Antriebsinverters ES3 erfasst. In Schritt S13 im Anschluss zu Schritt S12 wird der Verlust des FC Aufwärtswandlers ES6 basierend auf der Abgabe des Antriebsinverters ES3 und der Abgabe der Brennstoffzelle FC berechnet.
In Schritt S14 im Anschluss zu Schritt S13 wird die Abgabe des FC Aufwärtswandlers ES6 und die Abgabe der Brennstoffzelle FC berechnet. Nachfolgend wird die Abgabe des FC Aufwärtswandlers ES6 durch die Ausgangsspannung des Antriebsinverters ES3 aufgeteilt, um den Ausgabestrom des FC Aufwärtswandlers ES6 zu berechnen.
In Schritt S15 im Anschluss zu Schritt S14 wird beurteilt, ob der im Schritt S14 berechnete Ausgabestrom über dem zulässigen Strom ist oder nicht. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der FC Aufwärtswandler ES6 mit der PCU über die Stromleitung (Leistungskabel) verbunden, dadurch wird der zulässige Strom durch diese Stromleitung bestimmt. Wenn der Ausgabestrom über dem zulässigen Strom ist, schreitet die Verarbeitung zu Schritt S16 fort. Wenn der Ausgabestrom nicht über dem zulässigen Strom ist, schreitet die Verarbeitung zu Schritt S17 fort. Bei Schritt S17 wird der Soll-Spannungswert des Antriebsinverters ES3 erhöht. Wenn der Soll-Spannungswert des Antriebsinverters ES3 erhöht wird, sinkt der durch die Stromleitung zwischen dem FC Aufwärtswandler ES6 und der PCU fließende Strom konsequent und kann nicht mehr als der zulässige Strom der Stromleitung werden.
In dem Schritt S18 wird der Soll-Spannungswert des Antriebsinverters ES3 auf einen Soll-Antriebsspannungswert des Antriebsmotors ES4 eingestellt und die gewöhnliche Steuerung wird ausgeführt.
Es sei angemerkt, dass in der mit Bezug auf 3 beschriebenen Soll-Spannungssteuerung die Steuerung unter Berücksichtigung des Verlusts des FC Aufwärtswandlers ES6 ausgeführt wird, um die Genauigkeit zu verbessern. Allerdings kann die Stromleitung geschützt werden, selbst wenn die Soll-Spannung, ohne den Verlust des FC Aufwärtswandlers ES6 zu berücksichtigen, gesteuert wird. Insbesondere wird die Ausgabe der Brennstoffzelle FC durch die Ausgabespannung des Antriebsinverters ES3 aufgeteilt, um den Ausgabestrom des FC Aufwärtswandlers ES6 zu erhalten, und der Ausgabestrom wird bevorzugt mit dem zulässigen Strom verglichen, um selektiv die Verarbeitung der Schritte S17 und S18 auszuführen. In jedem Fall kann die Steuerung ausgeführt werden, um die Soll-Spannung ohne Verwendung eines Stromsensors zu variieren, dadurch kann die Stromleitung geschützt werden.
Bei der Soll-Spannungssteuerung des Antriebswandlers ES3 wird der Antrieb des Antriebsmotors ES4 gemäß einer bevorzugten Konfiguration berücksichtigt. Die Soll-Spannungssteuerung des Antriebsinverters ES3 unter Berücksichtigung des Antriebs des Antriebsmotors ES4 wird mit Bezug auf 4 beschrieben.
In Schritt S21 wird die Drehfrequenz des Antriebsmotors ES4 erfasst. In Schritt S22 im Anschluss zu Schritt S21 wird das Drehmoment des Antriebsmotors ES4 erfasst. Es sei angemerkt, dass die Schritte S21 und S22 parallel ausgeführt werden können.
In dem Schritt S23 wird die Ausgabespannung des FC Aufwärtswandlers ES6 basierend auf der in Schritt S21 erfassten Drehfrequenz des Antriebsmotors ES4 und des in Schritt S22 erfassten Drehmoments des Antriebsmotors ES4 berechnet.
In Schritt S24 im Anschluss zu Schritt S23 wird die Auslassabgabe des FC Aufwärtswandlers ES6 durch die Ausgangsspannung des Antriebsmotors ES3 aufgeteilt, um den Ausgabestrom des FC Aufwärtswandlers ES6 zu erhalten, wodurch beurteilt wird, ob der Strom über dem zulässigen Strom ist oder nicht. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird der zulässige Strom durch diese Stromleitung bestimmt, da der FC Aufwärtswandler ES6 mit der PCU über die Stromleitung (das Leistungskabel) verbunden ist. Wenn der Ausgabestrom über dem zulässigen Strom ist, schreitet die Verarbeitung zu Schritt S26 fort. Wenn der Ausgabestrom nicht über dem zulässigen Strom ist, schreitet die Verarbeitung zu Schritt S25 fort.
In dem Schritt S25 wird der Soll-Spannungswert des Antriebsinverters ES3 eingestellt, sodass die Ausgangsspannung des Antriebsinverters ES3 größer als die durch den Antriebsmotor ES4 nachgefragte Antriebsspannung ist, der Systemverlust minimiert ist und der Ausgabestrom übersteigt nicht den zulässigen Strom. Insbesondere wird der Wert basierend auf einem in 7 dargestellten Kennfeld eingestellt und in einem in 7 dargestellten Beispiel wird der Soll-Spannungswert auf V5 oder V4 eingestellt.
In dem Schritt S26 wird der Soll-Spannungswert des Antriebsinverters ES3 auf eine maximale Spannung eingestellt. Der Wert ist V4 in dem in 7 dargestellten Kennfeld.
In der Soll-Spannungssteuerung des Antriebsinverters ES3 wird die Temperatur der Stromleitung, die sich von dem FC Aufwärtswandler ES6 zu der PCU erstreckt, gemäß einer bevorzugten Konfiguration berücksichtigt. Die Soll-Spannungssteuerung des Antriebsinverters ES3 unter Berücksichtigung der Temperatur der Stromleitung, welche sich von dem FC Aufwärtswandler ES6 zu der PCU erstreckt, wird mit Bezug auf 5 beschrieben.
In Schritt S31 wird die Temperatur der Stromleitung zwischen dem FC Aufwärtswandler ES6 und der PCU durch den Temperatursensor S7 erfasst. In Schritt S32 im Anschluss zu Schritt S31 wird beurteilt, ob die in Schritt S31 erfasste Temperatur über einer zulässigen Temperatur ist oder nicht. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird die zulässige Temperatur durch diese Stromleitung bestimmt, da der FC Aufwärtswandler ES6 mit der PCU über die Stromleitung (das Leistungskabel) verbunden ist. Wenn die erfasste Temperatur über der zulässigen Temperatur ist, schreitet die Verarbeitung zu Schritt S33 fort. Wenn der Ausgabestrom nicht über dem zulässigen Strom ist, schreitet die Verarbeitung zu Schritt S34 fort.
In Schritt S33 wird der Soll-Spannungswert des Antriebsinverters ES3 erhöht. Wenn der Soll-Spannungswert des Antriebsinverters ES3 erhöht wird, sinkt der durch die Stromleitung zwischen dem FC Aufwärtswandler ES6 und der PCU fließende Strom konsequent und kann nicht mehr als die zulässige Temperatur der Stromleitung sein.
In Schritt S34 wird der Soll-Spannungswert des Antriebsinverters ES3 auf den Soll-Antriebsspannungswert des Antriebsmotors ES4 eingestellt, und die übliche Steuerung wird ausgeführt.
BESCHREIBUNG DER BEZUGSZEICHEN

FCS:

Brennstoffzellensystem

FC:

Brennstoffzelle

ASS:

Oxidiergas-Zuführsystem

AS1:

Filter

AS2:

Luftkompressor

AS3:

Oxidiergas-Strömungsweg

AS4:

Oxidierabgas-Strömungsweg

AS5:

Befeuchter

A3:

Gegendruckregler

CS:

Kühlsystem

CS1:

Kühlkörper

CS1:

Kühllösungspumpe

CS3:

Kühllösungsbeforderungsweg

CS4:

Kühllösungsrückführweg

FSS:

Brennstoffgas-Zuführsystem

FS1:

Brennstoffgas-Zuführquelle

FS2:

Injektor

FS3:

Brennstoffgas-Strömungsweg

FS4:

Kreislauf-Strömungsweg

FS5:

Kreislaufpumpe

FS6:

Gas/Wasser-Abgabe-Strömungsweg

H1:

Abschaltventil

H2:

Regler

H3:

Abschaltventil

H4:

Abschaltventil

H5:

Gas/Wasser-Abgabeventil

ES:

Leistungssystem

ES1:

DC/DC-Wandler

ES2:

Batterie

ES3:

Antriebsinverter

ES4:

Antriebsmotor

ES5:

zusätzliche Maschinen

ES6:

FC Aufwärtswandler

EC:

Steuerung

S1:

Spannungssensor

S2:

Stromsensor

S3:

SOC-Sensor

S4, S6:

Drucksensor

S5:

Wassertemperatursensor

ACC:

Gaspedal-Öffnungsgradsignal

IG:

Startsignal

VC:

Fahrzeuggeschwindigkeitssignal

Claims

Brennstoffzellensystem (FCS), aufweisend: eine Brennstoffzelle (FC); und eine mit der Brennstoffzelle (FC) verbundene Last (ES4); wobei das Brennstoffzellensystem (FCS) ferner aufweist: einen Wandler (ES6), der zwischen der Brennstoffzelle (FC) und der Last (ES4) angeordnet ist, und der die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (FC) erhöht, um die Spannung zu der Last (ES4) auszugeben; einen Inverter (ES3), der eine von dem Wandler (ES6) ausgegebene Gleichstromleistung in eine Wechselstromleistung umwandelt, um die Leistung zu der Last (ES4) auszugeben; eine Steuerung (EC), welche die Brennstoffzelle (FC), den Wandler (ES6) und den Inverter (ES3) steuert; und einen Stromsensor (S2), der einen zwischen dem Wandler (ES6) und dem Inverter (ES3) fließenden Strom erfasst, wobei die Steuerung den Inverter (ES3) steuert, um die Soll-Ausgangsspannung des Inverters (ES3) zu erhöhen, wenn der durch den Stromsensor (S2) erfasste Strom einen vorbestimmten Stromschwellenwert übersteigt.
Brennstoffzellensystem (FCS), aufweisend: eine Brennstoffzelle (FC); und eine mit der Brennstoffzelle (FC) verbundene Last (ES4); wobei das Brennstoffzellensystem (FCS) ferner aufweist: einen Wandler (ES6), der zwischen der Brennstoffzelle (FC) und der Last (ES4) angeordnet ist, und der die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle (FC) erhöht, um die Spannung zu der Last (ES4) auszugeben; einen Inverter (ES3), der eine aus dem Wandler (ES6) ausgegebene Gleichstromleistung in eine Wechselstromleistung umwandelt, um die Leistung zu der Last (ES4) auszugeben; eine Steuerung, welche die Brennstoffzelle (FC), den Wandler (ES6) und den Inverter (ES3) steuert; und einen Temperatursensor (S5), der die Temperatur einer Stromleitung zwischen dem Wandler (ES6) und dem Inverter (ES3) erfasst; wobei die Steuerung den Inverter (ES3) steuert, um die Soll-Ausgangsspannung des Inverters (ES3) zu erhöhen, wenn die durch den Temperatursensor (S5) erfasste Temperatur einen vorbestimmten Temperaturschwellenwert übersteigt.