DE112010001900T5

DE112010001900T5 - Brennstoffzellensystem, Steuerungsverfahren für dasselbe, und Fahrzeug ausgestattet mit demselben

Info

Publication number: DE112010001900T5
Application number: DE112010001900T
Authority: DE
Inventors: Atsushi Imai; Michio Yoshida; Tomoya Ogawa
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2010-03-18
Publication date: 2012-06-14
Anticipated expiration: 2030-03-19
Also published as: JP5434196B2; US20120021257A1; WO2010112998A1; DE112010001900B4; JP2010238530A; WO2010112998A8; US8815423B2; CN102369622A; CN102369622B

Abstract

Ein Brennstoffzellensystem umfasst eine Brennstoffzelle (11), eine Sekundärzelle (12), einen Spannungstransformator (13) und einen Steuerabschnitt (50). Der Steuerabschnitt lädt die Sekundärzelle zu der Zeit des Startens der Brennstoffzelle mit überschüssiger elektrischer Leistung auf und passt eine Spannung der Brennstoffzelle zwischen einer Leerlaufspannung und einer Hochpotential-Vermeidungs-Spannung an (S130), falls ein Überladen der Sekundärzelle zu erwarten ist während die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle von der Leerlaufspannung auf die Hochpotential-Vermeidungs-Spannung gesenkt wird (S110 bis S128). Der oben genannte Fall trifft zumindest dann zu, falls entweder eine elektrische Durchgangsleistung, die den Spannungstransformator durchläuft, eine für den Durchgang zulässige elektrische Leistung für den Aufladezweck der Sekundärzelle überschreitet, falls der Begrenzungswert der elektrischen Eingangsleistung für die Sekundärzelle überschritten wird, und/oder falls eine Rückgewinnungsmenge durch das Triebwerk, die in der Sekundärzelle geladen wird, nicht begrenzt ist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, ein Steuerungsverfahren für das Brennstoffzellensystem und ein Fahrzeug, das mit dem Brennstoffzellensystem ausgestattet ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Es wird eine praktische Anwendung einer Brennstoffzelle vorgeschlagen, die Wasserstoff als ein Brennstoffgas an einer Brennstoffelektrode zuführt, und die Luft als ein Oxidationsgas an einer Oxidationselektrode zuführt, und die Elektrizität durch eine elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff in der Luft erzeugt während Wasser an einer Oxidationselektrode produziert wird.
Wenn bei einer solchen Brennstoffzelle zu der Zeit des Beginns des Betriebs der Druck des Sauerstoffs, der an der Brennstoffelektrode zugeführt wird, und der Druck der Luft, die an der Oxidationselektrode zugeführt wird, in etwa gleich groß mit den jeweiligen Drücken sind, die während dem normalen Betrieb auftreten, kommt es gelegentlich vor, dass Sauerstoffgas und Luft ungleichmäßig jeweils in der Brennstoffelektrode und der Oxidationselektrode verteilt werden, und die Elektroden werden aufgrund einer elektrochemischen Reaktion, welche durch die ungleiche Verteilung dieser Gase verursacht wird, erodiert. Die Offenlegungsschrift der japanischen Patentanmeldung 2007-26891 ( JP-A-2007-26891 ) offenbart ein Verfahren zum Verhindern der Erodierung der Elektroden einer Brennstoffzelle durch ein Veranlassen, dass die Drücke des Wasserstoffs und der Luft, die jeweils an der Brennstoffelektrode und der Oxidationselektrode zugeführt werden, zu der Zeit des Beginns des Betriebs der Brennstoffzelle höher sind als die Drücke dieser Gase, die normalerweise zugeführt werden.
Wenn jedoch Wasserstoffgas und Luft unter Hochdruck an einer Brennstoffzelle zugeführt werden während die Brennstoffzelle den Betrieb startet, kommt es gelegentlich vor, dass die Anstiegsrate der Spannung der Brennstoffzelle derart groß wird, dass die Spannung der Brennstoffzelle ihre obere Grenzspannung überschreitet. Im Zusammenhang mit diesem Problem offenbart die Offenlegungsschrift der japanischen Patentanmeldung 2007-26891 ( JP-A-2007-26891 ) ein Verfahren, bei dem, wenn zu der Zeit des Startens der Brennstoffzelle das Wasserstoffgas und die Luft mit einem Druck zugeführt werden, der höher als ein gegebener Druck während einer normalen Leistungserzeugung ist, eine elektrische Ausgangsleistung aus der Brennstoffzelle entnommen und an einen Antriebsmotor des Fahrzeugs, an Widerstände, usw. abgegeben wird, sofern die Spannung der Brennstoffzelle eine vorbestimmte Spannung erreicht, die niedriger als die obere Grenzspannung ist.
Bei einem elektrischen Fahrzeug, das mit einer Brennstoffzelle ausgestattet ist, wird basierend auf einer von einem Verbraucher angeforderten elektrischen Leistung und einer Ausgangsstrom-Spannung, die für die Brennstoffzelle kennzeichnend ist, ein Elektrische-Ausgangsleistung-Befehlswert für die Brennstoffzelle berechnet. Allerdings fließt zu der Zeit des Startens der Brennstoffzelle während die Spannung der Brennstoffzelle von einer Startspannung ansteigt aufgrund der Sperre durch eine Sperrdiode kein elektrischer Strom aus der Brennstoffzelle. Andererseits wird beispielsweise in einem Verfahren, bei dem, nachdem die Spannung der Brennstoffzelle zu der Zeit des Startens der Brennstoffzelle zeitweise auf eine Leerlaufspannung (nachstehend als „OCV” bezeichnet) angehoben ist, eine Steuerspannung der Brennstoffzelle gesenkt und eine elektrische Leistung aus der Brennstoffzelle entnommen, und es wird eine Steuerung durchgeführt, bei der die Spannung der Brennstoffzelle auf den OCV eingestellt wird, sodass kein Strom aus der Brennstoffzelle fließt, bis die Elektrizitätserzeugung der Brennstoffzelle zugelassen wird. In diesem Fall besteht jedoch die Möglichkeit, dass die Haltbarkeit der Brennstoffzelle beeinträchtigt wird.
Daher ist es erwünscht, dass selbst bevor die Elektrizitätserzeugung der Brennstoffzelle zugelassen wird, die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle unter die OCV gesenkt wird. Da jedoch der Zustand der Katalysatoren der Brennstoffzelle direkt nach dem Start derselben variiert, schwankt die Elektrizitätsmenge, die durch die Brennstoffzelle direkt nach dem Start derselben erzeugt wird, erheblich. Wenn anschließend die Brennstoffzelle zu der Zeit des Startens derselben mehr elektrische Leistung erzeugt wird als durch den Verbraucher erforderlich ist, wird die überschüssige elektrische Leistung in eine Sekundärzelle geladen, die in dem elektrischen Fahrzeug vorgesehen ist.
Wenn die Sekundärzelle allerdings auf eine Weise wie zum Beispiel ein Aufladen mit hoher Rate, ein Aufladen ausgehend von einem hohen SOC (Ladezustand), ein Aufladen bei einer niedrigen Temperatur (z. B. 0°C) (ein Aufladen bei einem hohen Widerstandszustand), usw. aufgeladen wird, besteht die Möglichkeit, dass die Sekundärzelle überladen werden kann und dass die Haltbarkeit der Sekundärzelle negativ beeinträchtigt werden kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung sieht ein Brennstoffzellensystem vor, welches das Leistungsmanagement einer Brennstoffzelle zu der Zeit des Startens der Brennstoffzelle durchführt, um die Sekundärzelle vor einem Überladen zu bewahren, und sie sieht ebenso ein Steuerungsverfahren für das Brennstoffzellensystem sowie ein Fahrzeug vor, das mit dem Brennstoffzellensystem ausgestattet ist.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem. Das Brennstoffzellensystem umfasst: eine Brennstoffzelle, die Elektrizität durch eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Brennstoffgas und einem Oxidationsgas erzeugt; eine Sekundärzelle, die aufladbar und entladbar ist, und die mit elektrischer Leistung aufgeladen wird, die von der Brennstoffzelle abgegeben wird; und einen Steuerabschnitt, der eine Elektrizitätsmenge steuert, die von der Brennstoffzelle zu einer Zeit des Startens der Brennstoffzelle erzeugt wird. Der Steuerabschnitt weist einen Spannungsanpassungsabschnitt auf, der die Sekundärzelle zu der Zeit des Startens der Brennstoffzelle mit überschüssiger elektrischer Leistung auflädt, und der eine Spannung der Brennstoffzelle zwischen einer Leerlaufspannung und einer Hochpotential-Vermeidungs-Spannung anpasst, falls ein Überladen der Sekundärzelle zu erwarten ist während die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle von der Leerlaufspannung auf die Hochpotential-Vermeidungs-Spannung gesenkt wird.
Zu der Zeit des Startens der Brennstoffzelle wird die Elektrizitätsmenge von der Brennstoffzelle durch ein Anpassen der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle zu der Zeit des Startens bewältigt, während die Elektrizitätsmenge, die in die Sekundärzelle geladen werden kann, mit einbezogen wird. Somit wird der Überladungszustand der Sekundärzelle verhindert, sodass die Haltbarkeit der Sekundärzelle sichergestellt ist.
Das oben genannte Brennstoffzellensystem kann weiterhin umfassen: einen Spannungstransformator, der zwischen der Sekundärzelle und einem Verbraucher bereitgestellt ist; und ein Triebwerk, und im Zusammenhang mit dem Spannungsanpassungsabschnitt trifft derjenige Fall, dass ein Überladen der Sekundärzelle zu erwarten ist, zumindest dann zu, falls entweder eine elektrische Durchgangsleistung, die den Spannungstransformator durchläuft, eine für den Durchgang zulässige elektrische Leistung für den Aufladezweck der Sekundärzelle, die basierend auf zumindest einer Effizienz des Spannungstransformators und auf einem Begrenzungswert der elektrischen Eingangsleistung für die Sekundärzelle festgestellt wird, überschreitet, falls der Begrenzungswert der elektrischen Eingangsleistung für die Sekundärzelle überschritten wird, und/oder wenn eine Rückgewinnungsmenge durch das Triebwerk, die in der Sekundärzelle geladen wird, nicht begrenzt ist.
Die zurück gewonnene Energie von dem Triebwerk wird ebenfalls in der Sekundärzelle geladen. Daher wird die Elektrizitätsmenge von der Brennstoffzelle zu der Zeit des Startens der Brennstoffzelle durch ein Anpassen der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle zu der Zeit des Startens bewältigt, sodass die zurück gewonnene Energie in der Sekundärzelle gespeichert wird und der Überladungszustand der Sekundärzelle verhindert wird, wenn die elektrische Durchgangsleistung, die den Spannungstransformator durchläuft, eine für den Durchgang zulässige elektrische Leistung für den Aufladezweck der Sekundärzelle, die basierend auf zumindest der Effizienz des Spannungstransformators und dem Begrenzungswert der elektrischen Eingangsleistung festgestellt wird, überschreitet, oder wenn der Begrenzungswert der elektrischen Eingangsleistung für die Sekundärzelle überschritten wird, oder wenn die die durch des Triebwerk zurück gewonnene Elektrizitätsmenge, die geladen wird, nicht begrenzt ist. Demzufolge wird die Brennstoffeffizienz verbessert und die Haltbarkeit der Sekundärzelle ist ebenfalls gewährleistet.
Der Steuerabschnitt kann weiterhin aufweisen: einen Elektrische-Erzeugungsmenge-Berechnungsabschnitt, der durch Messen einer Spannung der Brennstoffzelle eine Elektrizitätsmenge berechnet, die durch die Brennstoffzelle erzeugt wird; einen SOC-Einschätzungsabschnitt, der einen Ladezustand der Sekundärzelle einschätzt; einen Rückgewinnungsmengen-Berechnungsabschnitt, der eine Rückgewinnungsmenge berechnet, die durch das Triebwerk bereitgestellt wird; einen Elektrische-Eingangsleistung-Begrenzungswert-Berechnungsabschnitt, der basierend auf dem eingeschätzten Ladezustand der Sekundärzelle und auf der Rückgewinnungsmenge durch das Triebwerk einen Begrenzungswert der elektrischen Eingangsleistung für die Sekundärzelle berechnet; einen Zulässige-Elektrische-Ladeleistung-Berechnungsabschnitt, der basierend auf zumindest einer Effizienz eines Spannungstransformators und auf dem Begrenzungswert der elektrischen Eingangsleistung eine für den Durchgang zulässige elektrische Leistung des Aufladeziels der Sekundärzelle feststellt; und einen Einspeisbare-Elektrische-Leistungsmenge-Berechnungsabschnitt, der eine erste Differenz zwischen der berechneten seitens der Sekundärzelle zulässigen elektrischen Ladeleistung und der berechneten Elektrizitätsmenge, die durch die Brennstoffzelle erzeugt wird, feststellt, und der eine zweite Differenz zwischen dem eingeschätzten Ladezustand der Sekundärzelle und dem berechneten Begrenzungswert der elektrischen Eingangsleistung feststellt, und der basierend auf einer kleineren Differenz der ersten Differenz und der zweiten Differenz eine elektrische Leistungsmenge berechnet, die in die Sekundärzelle einspeisbar ist, und der Spannungsanpassungsabschnitt kann basierend auf einer einspeisbaren elektrischen Leistungsmenge eine Elektrizitätsmenge, die von der Brennstoffzelle erzeugt werden kann, berechnen, und er kann die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle zwischen der Leerlaufspannung und einer Sollspannung anpassen.
Der Steuerabschnitt stellt die erste Differenz zwischen der seitens der Sekundärzelle zulässigen elektrischen Ladeleistung und der berechneten Elektrizitätsmenge, die durch die Brennstoffzelle erzeugt wird (d. h. die Menge der elektrischen Leistung, die von der Brennstoffzelle in die Sekundärzelle eingespeist wird), und die zweite Differenz zwischen dem eingeschätzten Ladezustand (SOC-Menge) der Sekundärzelle und dem berechneten Begrenzungswert W_in der elektrischen Eingangsleistung (d. h. die Elektrizitätsmenge, die in der Sekundärzelle geladen werden kann) fest, und er berechnet basierend auf der kleineren der ersten Differenz und der zweiten Differenz die elektrische Leistungsmenge, die in die Sekundärzelle eingespeist werden kann. Somit bewältigt der Steuerabschnitt die Elektrizitätsmenge von der Brennstoffzelle durch ein Anpassen der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle, sodass der Überladungszustand der Sekundärzelle verhindert wird. Demzufolge wird sichergestellt, dass die Haltbarkeit der Sekundärzelle aufrechterhalten wird.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug. Dieses Fahrzeug weist das oben genannte Brennstoffzellensystem auf.
Die Erfindung, welche die Brennstoffzelle zu der Zeit des Startens derselben betrifft, bewahrt bei dem elektrischen Fahrzeug die Sekundärzelle davor überladen zu werden, und sie verhindert einen Rückgang der Leistung der Sekundärzelle.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Steuerungsverfahren für ein Brennstoffzellensystem. Das Brennstoffzellensystem umfasst: eine Brennstoffzelle, die Elektrizität durch eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Brennstoffgas und einem Oxidationsgas erzeugt; eine Sekundärzelle, die aufladbar und entladbar ist, und die mit elektrischer Leistung aufgeladen wird, die von der Brennstoffzelle abgegeben wird; und einen Steuerabschnitt, der eine Elektrizitätsmenge steuert, die von der Brennstoffzelle zu einer Zeit des Startens der Brennstoffzelle erzeugt wird. Das Steuerungsverfahren dieses Brennstoffzellensystems umfasst: ein Aufladen der Sekundärzelle mit überschüssiger elektrischer Leistung zu der Zeit des Startens der Brennstoffzelle; ein Bestimmen, ob die Sekundärzelle überladen werden wird oder nicht, wenn eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle von einer Leerlaufspannung auf eine Hochpotential-Vermeidungs-Spannung gesenkt wird; und ein Anpassen einer Spannung der Brennstoffzelle zwischen der Leerlaufspannung und der Hochpotential-Vermeidungs-Spannung, wenn bestimmt wird, dass die Sekundärzelle überladen werden wird.
Gemäß dem Brennstoffzellensystem, dem Steuerungsverfahren für das Brennstoffzellensystem und dem Fahrzeug, das mit dem Brennstoffzellensystem ausgestattet ist, wird im Zusammenhang mit den oben genannten Aspekten der Erfindung die Elektrizitätsmenge von der Brennstoffzelle durch ein Anpassen der Ausgangsspannung der Brennstoffzelle zu der Zeit des Startens der Brennstoffzelle bewältigt, während die Elektrizitätsmenge, die in der Sekundärzelle geladen werden kann, miteinbezogen wird. Dadurch wird der Überladungszustand der Sekundärzelle verhindert.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Die oben genannten und weiteren Merkmale und Vorteile der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen mit Bezug auf die begleitende Zeichnung besser verständlich, wobei gleiche Ziffern zum Darstellen der gleichen Elemente verwendet werden und wobei:
1 ein Systemdiagramm eines Brennstoffzellensystems in einer Ausführungsform der Erfindung ist;
2 ein Diagramm ist, das eine Spannungssteuerung einer Brennstoffzelle darstellt, die zu der Zeit des Startens der Brennstoffzelle durchgeführt wird, um ein Überladen der Sekundärzelle zu verhindern;
3 ein Diagramm ist, das ein Verhältnis zwischen der ursprünglichen Zellenspannung und der elektrischen Ausgangsleistung einer Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellenstapel zu der Zeit des Startens der Brennstoffzelle darstellt; und
4 ein Flussdiagramm ist, das eine elektrische Leistungssteuerung einer Brennstoffzelle zu der Zeit des Startens eines Brennstoffzellensystems in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Erfindung darstellt;
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Wie in 1 gezeigt ist, umfasst ein Brennstoffzellensystem 100, das in einem elektrischen Fahrzeug 200 eingebaut ist, eine aufladbare und entladbare Sekundärzelle 12, einen Aufwärts/Abwärts-Spannungswandler 13, der die Spannung der Sekundärzelle 12 anhebt oder absenkt, einen Inverter 14, der die elektrische Leistung eines Gleichstroms des Aufwärts/Abwärts-Spannungswandlers 13 in eine elektrische Leistung eines Wechselstroms umwandelt und die elektrische Leistung an einem Traktionsmotor 15 zuführt, sowie eine Brennstoffzelle 11.
Die Sekundärzelle 12 wird aus einer aufladbaren und entladbaren Lithium-Ionen-Batterie oder dergleichen gebildet. Die Spannung der Sekundärzelle 12 ist bei dieser Ausführungsform niedriger als die Antriebsspannung des Traktionsmotors 15. Allerdings ist die Spannung der Sekundärzelle nicht darauf beschränkt, sondern sie kann ebenso eine Spannung sein, die gleich groß oder höher als die Antriebsspannung des Traktionsmotors ist. Der Aufwärts/Abwärts-Spannungswandler 13 weist eine Vielzahl von Schaltelementen auf und er hebt durch Ein/Aus-Betätigungen der Schaltelemente eine niedrige Spannung, die an der Sekundärzelle 12 zugeführt wird, auf eine hohe Spannung an, die zum Antreiben des Traktionsmotors verwendet wird. Der Aufwärts/Abwärts-Spannungswandler 13 ist ein nicht-isolierter bidirektionaler DC/DC-Wandler, dessen elektrischer Bezugspfad 32 sowohl mit einem elektrischen Pfad 34 der Minusseite der Sekundärzelle 12 als auch mit einem elektrischen Pfad 39 der Minusseite des Inverters 14 verbunden ist, und dessen elektrischer Pfad 31 der primären Seite mit einem elektrischen Pfad 33 einer Plusseite der Sekundärzelle 12 verbunden ist, und dessen elektrischer Pfad 35 der Sekundärseite mit einem elektrischen Pfad 38 der Plusseite des Inverters 14 verbunden ist. Zudem sind der elektrische Pfad 33 der Plusseite und der elektrische Pfad 34 der Minusseite der Sekundärzelle 12 jeweils mit einem Systemrelais 25 versehen, das die Verbindung zwischen der Sekundärzelle 12 und einem Ladesystem ein- und ausschaltet.
Die Brennstoffzelle 11 weist eine Vielzahl von Brennstoffzelleneinheiten auf, an denen Wasserstoffgas als Brennstoffgas und Luft als Oxidationsgas zugeführt wird, und die durch eine elektrochemische Reaktion zwischen dem Wasserstoffgas und dem Sauerstoff in der Luft Elektrizität erzeugen. Bei der Brennstoffzelle 11 wird das Wasserstoffgas von einem Hochdruckwasserstofftank 17 an der Brennstoffelektrode (Anode) über ein Wasserstoffzufuhrventil 18 zugeführt, und die Luft wird durch einen Luftkompressor 19 an der Oxidationselektrode (Kathode) zugeführt. Ein elektrischer Pfad 36 der Plusseite der Brennstoffzelle 11 ist über ein FC-Relais 24 und eine Sperrdiode 23 mit dem elektrischen Pfad 35 der Sekundärseite des Aufwärts/Abwärts-Spannungswandlers 13 verbunden. Ein elektrischer Pfad 37 der Minusseite der Brennstoffzelle 11 ist über ein FC-Relais 24 mit dem elektrischen Bezugspfad 32 des Aufwärts/Abwärts-Spannungswandlers 13 verbunden. Der elektrische Pfad 35 der Sekundärseite des Aufwärts/Abwärts-Spannungswandlers 13 ist mit dem elektrischen Pfad 38 der Plusseite des Inverters 14 verbunden, und der elektrische Bezugspfad 32 des Aufwärts/Abwärts-Spannungswandlers 13 ist mit dem elektrischen Pfad 39 der Minusseite des Inverters 14 verbunden. Der elektrische Pfad 36 der Plusseite und der elektrische Pfad 37 der Minusseite der Brennstoffzelle 11 sind jeweils über die FC-Relais 24 mit dem elektrischen Pfad 38 der Plusseite und dem elektrischen Pfad 39 der Minusseite des Inverters 14 verbunden. Die FC-Relais 24 schalten die Verbindung zwischen dem Ladesystem und der Brennstoffzelle 11 ein und aus. Wenn die FC-Relais 24 geschlossen sind, ist die Brennstoffzelle 11 mit der sekundären Seite des Aufwärts/Abwärts-Spannungswandlers 13 verbunden, so dass die elektrische Leistung, die durch die Brennstoffzelle 11 erzeugt wird, zusammen mit der elektrischen Leistung der sekundären Seite der Sekundärzelle 12, die durch ein Anheben der elektrischen Leistung der primären Seite der Sekundärzelle 12 erhalten wird, an dem Inverter zugeführt wird, der dadurch den Traktionsmotor 15, der die Räder 60 dreht, antreibt. Zu dieser Zeit wird die Spannung der Brennstoffzelle 11 gleich groß wie die Ausgangsspannung des Aufwärts/Abwärts-Spannungswandlers 13 und die Eingangsspannung des Inverters 14. Zudem wird die elektrische Antriebsleistung für den Luftkompressor 19 und für das Zubehör 16 der Brennstoffzelle 11 wie zum Beispiel eine Kühlwasserpumpe, eine Wasserstoffpumpe, usw. im Wesentlichen durch die Spannung bereitgestellt, die durch die Brennstoffzelle 11 erzeugt wird. Wenn die Brennstoffzelle 11 die erforderliche Leistung nicht erzeugen kann, wird die Sekundärzelle 12 als eine Ergänzungsquelle verwendet.
Ein Kondensator 20 der primären Seite, der die Spannung der niedrigen Seite glättet, ist zwischen dem elektrischen Pfad 33 der Plusseite und dem elektrischen Pfad 34 der Minusseite der Sekundärzelle 12 verbunden. Der Kondensator 20 der primären Seite ist mit einem Spannungssensor 41 versehen, der die Spannung zwischen den zwei Enden des Kondensators 20 der primären Seite erfasst. Zudem ist ein Kondensator 21 einer sekundären Seite, der die Spannung der sekundären Seite glättet, zwischen dem elektrischen Pfad 38 der Plusseite und dem elektrischen Pfad 39 der Minusseite des Inverters 14 verbunden. Der Kondensator 21 der sekundären Seite ist mit einem Spannungssensor 42 versehen, der die Spannung zwischen den beiden Enden des Kondensators 21 der sekundären Seite erfasst. Die Spannung über dem Kondensator 20 der primären Seite ist eine Primärseitenspannung V_L, welche die Eingangsspannung des Aufwärts/Abwärts-Spannungswandlers 13 ist, und die Spannung über dem Kondensator 21 der sekundären Seite ist eine Sekundärseitenspannung V_H, welche die Ausgangsspannung des Aufwärts/Abwärts-Spannungswandlers 13 ist. Zudem ist ein Spannungssensor 43, der die Spannung der Brennstoffzelle 11 erfasst, zwischen dem elektrischen Pfad 36 der Plusseite und dem elektrischen Pfad 37 der Minusseite der Brennstoffzelle 11 vorgesehen. Der Spannungssensor 43 erfasst ebenso die Zellenspannung von jeder der Brennstoffzelleneinheiten, welche die Brennstoffzelle 11 bilden. Zudem ist der elektrische Pfad 36 der Plusseite der Brennstoffzelle 11 mit einem elektrischen Stromsensor 44 versehen, der den Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 11 erfasst.
Ein Steuerabschnitt 50 ist ein Computer, der eine CPU, die Signalverarbeitungen durchführt, und einen Speicherabschnitt, der Programme und Steuerdaten speichert, enthält. Die Brennstoffzelle 11, der Luftkompressor 19, das Wasserstoffzufuhrventil 18, der Aufwärts/Abwärts-Spannungswandler 13, der Inverter 14, der Traktionsmotor 15, das Zubehör 16, die FC-Relais 24 und die Systemrelais 25 sind mit dem Steuerabschnitt 50 verbunden und sie sind derart ausgebildet, dass sie übereinstimmend mit Befehlen des Steuerabschnitts 50 arbeiten. Zudem sind die Sekundärzelle 12, die Spannungssensoren 41 bis 43 und der elektrische Stromsensor 44 separat mit dem Steuerabschnitt 50 verbunden und sie sind derart ausgebildet, dass der Zustand der Sekundärzelle 12, und Erfassungssignale der Spannungssensoren 41 bis 43 und des elektrischen Stromsensors 44 in den Steuerabschnitt 50 eingegeben werden. Das elektrische Fahrzeug 200 ist mit einem Zündschlüssel 30 versehen, der ein Schalter zum Starten und Stoppen des Brennstoffzellensystems 100 ist. Der Zündschlüssel 30 ist mit dem Steuerabschnitt 50 verbunden und ist derart ausgebildet, dass ein Ein/Aus-Signal des Zündschlüssels 30 in den Steuerabschnitt 50 eingegeben wird.
Nachstehend wird ein Betrieb des Brennstoffzellensystems 100, das wie obenstehend beschrieben ausgebildet ist, mit Bezug auf 2 bis 4 beschrieben.
2 zeigt ein Beispiel einer Brennstoffzellenspannungssteuerung, die zur Zeit des Startens der Brennstoffzelle durchgeführt wird, um ein Überladen der Sekundärzelle zu verhindern. Ein oberer Teil der 2 zeigt Veränderungen der Spannung der Brennstoffzelle (nachstehend auch als „FC” bezeichnet) und ein unterer Teil des Diagrams zeigt Veränderungen der elektrischen Leistung der Sekundärzelle. Weiterhin zeigt bei dem Graphen der Veränderung der Spannung in 2 eine durchgezogene Linie die Befehlsspannung, die der Brennstoffzelle befohlen wird, und eine gestrichelte Linie zeigt die gesamte Zellenspannung des Brennstoffzellenstapels. Obwohl 2 im Übrigen zur Vereinfachung der Abbildung darstellt, dass die gesamte Zellenspannung der Befehlsspannung mit einer deutlichen Verzögerung derselben nachfolgt, ist die Verzögerung der tatsächlichen gesamten Zellenspannung zu der tatsächlichen Befehlsspannung nicht so groß wie in 2 gezeigt ist, sondern die gesamte Zellenspannung ändert sich im Wesentlichen unmittelbar in Folge auf die Befehlsspannung. Zudem zeigt die durchgezogene Linie bei dem Graphen der elektrischen Leistung der Sekundärzelle Veränderungen der elektrischen Leistungsmenge, die den Aufwärts/Abwärts-Spannungswandler 13 durchläuft.
Bevor die Spannungssteuerung der Brennstoffzelle zu der Zeit des Startens der Brennstoffzelle mit Bezug auf 2 beschrieben wird, wird die ursprüngliche Spannung und die Abgabe der Brennstoffzelle unmittelbar anschließend an das Starten derselben mit Bezug auf 3 beschrieben. Wie in 3 gezeigt ist, variiert die gesamte Zellenspannung des Brennstoffzellenstapels zu der Zeit des Startens desselben in Übereinstimmung mit der Dauer des Betriebsstopps der Brennstoffzelle. Das heißt die gesamte Zellenspannung ist näher an 0 V je länger die Dauer des Operationsstopps ist und die gesamte Zellenspannung ist höher, je kürzer die Dauer des Betriebsstopps ist. Außerdem, je länger die Dauer des Betriebsstopps der Brennstoffzelle ist, desto mehr erhöhen die Katalysatoren in der Brennstoffzelle ihre Aktivität, und desto größer wird dadurch die erzeugte Elektrizitätsmenge zu der Zeit des Startens der Brennstoffzelle. Andererseits, wenn die Dauer des Betriebsstopps kurz ist, werden die Katalysatoren weniger aufgefrischt als wenn die Dauer des Betriebsstopps lang ist, und daher ist die erzeugte Elektrizitätsmenge zu der Zeit des Startens der Brennstoffzelle nicht groß. Das heißt die Elektrizitätsmenge, die unmittelbar anschließend an das Starten der Brennstoffzelle erzeugt wird, weicht in Abhängigkeit von dem Zustand der Katalysatoren der Brennstoffzelle, der unmittelbar anschließend auf das Starten eintritt, erheblich ab.
Falls die Brennstoffzelle 11 zu der Zeit des Startens mehr elektrische Leistung erzeugt als durch den Verbraucher erforderlich ist, wie in 1 gezeigt ist, wird die überschüssige elektrische Leistung in der Sekundärzelle 12, die in dem elektrischen Fahrzeug 200 vorgesehen ist, geladen. Üblicherweise weist die Sekundärzelle 12 eine solche Kapazität auf, dass die Abgabe der Brennstoffzelle zu der Zeit des Startens in die Sekundärzelle geladen werden kann. Allerdings ist es wahrscheinlich, dass die Sekundärzelle 12 zum Beispiel während dem Laden bei niedriger Temperatur (dem Laden in einem Zustand eines hohen Widerstands) überladen wird, und daher wird das Laden mit einer Begrenzungskapazität gesteuert, die niedriger als die maximale Ladekapazität der Sekundärzelle 12 ist. Demzufolge wird die Elektrizitätsmenge, die durch die Brennstoffzelle 11 zu der Zeit des Startens derselben erzeugt wird, groß, wenn die gesamte Zellenspannung der Brennstoffzelle 11 nahe 0 V ist, sodass die Sekundärzelle 12 mit der elektrischen Leistung, die durch die Brennstoffzelle 11 erzeugt wird, über die Begrenzungskapazität der Sekundärzelle 12 hinaus geladen werden kann, und dadurch kann die Sekundärzelle 12 überladen werden.
Zudem wird, zum Beispiel falls der Luftkompressor 19 zu der Zeit des Startens mit einem höheren Druck als während des normalen Betriebs betrieben wird, sodass Luft als ein Oxidationsgas an der Brennstoffzelle 11 zugeführt wird, die Elektrizitätsmenge, die von der Brennstoffzelle 11 produziert wird, unmittelbar anschließend an das Starten groß. In diesem Fall besteht ebenfalls die Möglichkeit dass die Sekundärzelle 12 überladen wird, da die Sekundärzelle 12 mit einer hohen Rate geladen wird.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass die Sekundärzelle 12 überladen wird, falls die Sekundärzelle 12 ausgehend von einem hohen SOC (Ladezustand) geladen wird.
Daher ist es notwendig das Überladen der Sekundärzelle zu verhindern, das durch die Abgabe der Brennstoffzelle in der Zeit des Startens verursacht wird bevor die Elektrizitätserzeugung der Brennstoffzelle zugelassen wird. Daher weist der in 1 gezeigte Steuerabschnitt 50 bei dieser Ausführungsform einen Spannungsanpassungsabschnitt (nicht dargestellt) auf, um die Spannung der Brennstoffzelle zwischen der Leerlaufspannung (OCV) und einer Hochpotential-Vermeidungs-Spannung anzupassen, wenn zu erwarten ist, dass die Sekundärzelle 12 überladen wird während zu der Zeit des Startens der Brennstoffzelle überschüssige elektrische Leistung in die Sekundärzelle 12 geladen wird und die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 11 von der Leerlaufspannung auf die Hochpotential-Vermeidungs-Spannung gesenkt wird. Hierbei ist zu beachten, dass die „Hochpotential-Vermeidungs-Spannung” eine vorbestimmte Betriebs-Soll-Spannung bedeutet, die kleiner als die OCV ist und die durch die Brennstoffzelle erzeugt werden kann, sodass die Haltbarkeit der Brennstoffzelle gewährleistet ist.
Weiterhin passt der oben genannte Spannungsanpassungsabschnitt in zumindest einem der nachfolgenden Fälle die Betriebsspannung der Brennstoffzelle 11 zwischen der Leerlaufspannung und der Hochpotential-Vermeidungs-Spannung an: falls entweder die elektrische Leistung, die den Aufwärts/Abwärts-Spannungswandler 13, der ein Spannungstransformator ist, durchläuft eine für den Durchgang zulässige elektrische Leistung für den Aufladezweck der Sekundärzelle überschreitet, die basierend auf zumindest einer Effizienz des Aufwärts/Abwärts-Spannungswandlers 13 und einem Begrenzungswert W_in der elektrischen Eingangsleistung festgestellt wird; falls der Begrenzungswert W_in der elektrischen Eingangsleistung für die Sekundärzelle 12 überschritten wird; und/oder falls die Elektrizitätsmenge, die durch das Triebwerk (den Traktionsmotor 15) zurück gewonnen wird, welche in der Sekundärzelle geladen wird, nicht begrenzt ist.
Ein SOC-Einschätzungsabschnitt (nicht dargestellt), der den Ladezustand der Sekundärzelle einschätzt, ist in dem Steuerabschnitt 50 vorgesehen. Der SOC-Einschätzungsabschnitt empfängt Eingaben von Signalen, die zur Bewältigung der Sekundärzelle 12 benötigt werden, zum Beispiel die Anschluss-Zwischenspannung des Spannungssensor 41, der zwischen den Anschlüssen der Sekundärzelle 12 angeordnet ist, den Auflade-/Entladestrom (nachstehend ebenso als „Batteriestrom” bezeichnet) von einem elektrischen Stromsensor (nicht dargestellt), der an eine elektrische Leistung angefügt ist, die mit einem Ausgangsanschluss der Sekundärzelle 12 verbunden ist, eine Zellentemperatur von einem Temperatursensor (nicht dargestellt), der an die Sekundärzelle 12 angefügt ist, usw., und er speichert die eingegebenen Signale. Zudem schätzt der SOC-Einschätzungsabschnitt durch Integrieren des elektrischen Stromwertes IB(t) der Sekundärzelle, der durch den elektrischen Leistungssensor tatsächlich gemessen wird, oder durch Integrieren des eingeschätzten elektrischen Stromwertes, der durch einen tatsächlich gemessenen Temperaturwert TW(t) der Sekundärzelle korrigiert wird, den Ladezustand (SOC ist die verbleibende Ladungsmenge) der Sekundärzelle 12 ein.
Der „Begrenzungswert der elektrischen Eingangsleistung W_in” wird durch einen Elektrische-Eingangsleistung-Begrenzungswert-Berechnungsabschnitt (nicht dargestellt), der in dem in 1 dargestellten Steuerabschnitt 50 vorgesehen ist, auf die nachfolgende Rechenweise berechnet. Das heißt, es wird der Ladezustandswert SOC(t) zu einer voreingestellten Zeit t, die durch den SOC-Einschätzungsabschnitt festgelegt wird, verwendet, es wird ein zulässiger Eingangsstromwert pro Zeiteinheit während des Ladens festgelegt, und es wird ein zulässiger Wert des elektrischen Eingangsstroms I_lim(t), der zum Einspeisen in die Sekundärzelle pro Zeiteinheit zugelassen ist, berechnet. Weiterhin wird durch die PID-Steuerung der „Begrenzungswert der elektrischen Eingangsleistung W_in” unter Verwendung der nachfolgenden Gleichung (I) berechnet. W_in(t) = SW_in(t) – K_p × {IB(t) – I_tag1(t)} – K_i × ∫{IB(t) – I_tag2(t)}dt (1)
(Wobei: W_in(t) den Begrenzungswert (W) der elektrischen Eingangsleistung für die Sekundärzelle zur Zeit t darstellt; SW_in(t) ein Standard-Begrenzungswert der elektrischen Eingangsleistung für die Sekundärzelle ist, der im Vornherein eingestellt ist; K_p stellt eine p-term Rückkopplungsverstärkung dar; K_i stellt eine i-term Rückkopplungsverstärkung dar; I_tag1(t) stellt einen Begrenzungs-Sollwert des elektrischen Stroms in Verbindung mit der p-Term-Rückkopplungsverstärkung dar; I_tag2(t) stellt einen Begrenzungssollwert des elektrischen Stroms in Verbindung mit der i-Term-Rückkopplungsverstärkung dar; und IB(t) stellt den Batteriestromwert zur Zeit t dar.) Zudem werden die oben genannten Werte I_tag1(t) und I_tag2(t) unter Verwendung der folgenden Gleichung (II) erhalten. I_tag1(t) = F_p(I_lim'(t)), und I_tag2(t) = F_i(I_lim'(t)) (II)
(Wobei: I_lim'(t) basierend auf einem zuvor berechneten zulässigen Wert des elektrischen Eingangsstrom I_lim(t – 1), der zuvor berechnet wird, oder ausschließlich für die Anfangsberechnung basierend auf einem voreingestellten zulässigen Wert des elektrischen Eingangsstroms I_lim(0) berechnet wird.) Zudem ist an dem in 1 dargestellten Steuerabschnitt 50 ebenso ein Elektrizität-Erzeugungsmenge-Berechnungsabschnitt (nicht dargestellt) vorgesehen, der über den Spannungssensor 43 eine Spannung der Brennstoffzelle 11 misst, und der die erzeugte Elektrizitätsmenge der Brennstoffzelle berechnet.
Weiterhin ist an dem in 1 gezeigten Steuerabschnitt 50 ein Rückgewinnungsmengen-Berechnungsabschnitt vorgesehen, der die Rückgewinnungsmenge berechnet, die durch den Traktionsmotor 15, der ein Triebwerk ist, bereitgestellt wird. Die Rückgewinnungsmenge kann unter Verwendung der Gleichung (2) festgestellt werden. Dazu berechnet der Elektrische-Eingangsleistung-Begrenzungswert-Berechnungsabschnitt den Begrenzungswert W_in der elektrischen Eingangsleistung für die Sekundärzelle 12 nicht nur basierend auf dem oben genannten SOC der Sekundärzelle, sondern ebenso auf der Rückgewinnungsmenge, die durch das Triebwerk bereitgestellt wird, wenn die Rückgewinnungsmenge zu der Zeit des Startens miteinbezogen wird.
Zudem ist an dem in 1 gezeigten Steuerabschnitt 50 ein Zulässige-Elektrische-Ladeleistung-Berechnungsabschnitt (nicht dargestellt) vorgesehen, der eine für den Durchgang zulässige elektrische Leistung des Aufladeziels der Sekundärzelle basierend auf zumindest einer Effizienz des Aufwärts/Abwärts-Spannungswandlers 13 und auf dem Begrenzungswert W_in der elektrischen Eingangsleistung feststellt. Zum Beispiel stellt der Zulässige-Elektrische-Ladeleistung-Berechnungsabschnitt die für den Durchgang zulässige elektrische Leistung des Aufladeziels der Sekundärzelle durch ein Multiplizieren der Summe des Begrenzungswerts W_in der elektrischen Eingangsleistung und der erforderlichen elektrischen Leistung des Zubehörs 16 mit der Effizienz des Aufwärts/Abwärts-Spannungswandlers 13 fest.
Zudem ist an dem in 1 gezeigten Steuerabschnitt 50 ein Einspeisbare-Elektrische-Leistungsmenge-Berechnungsabschnitt (nicht dargestellt) vorgesehen, der eine Differenz d1 zwischen der berechneten seitens der Sekundärzelle zulässigen elektrischen Ladeleistung und der Elektrizitätserzeugungsmenge der Brennstoffzelle (d. h. die elektrische Leistungsmenge, die von der Brennstoffzelle in die Sekundärzelle eingespeist wird), und eine Differenz d2 zwischen dem eingeschätzten Ladezustand (SOC-Menge) der Sekundärzelle und dem berechneten Begrenzungswert W_in der elektrischen Eingangsleistung (d. h. die Elektrizitätsmenge, die in die Sekundärzelle geladen werden kann) feststellt, und der basierend auf der kleineren Differenz der Differenzen d1 und d2 die elektrische Leistungsmenge berechnet, die in die Sekundärzelle eingespeist werden kann.
Nachfolgend wird ein Beispiel eines Betriebs des Brennstoffzellensystems dieser Ausführungsform mit Bezug auf 1, 2 und 4 beschrieben. Wenn der Zündschlüssel 30 eingeschaltet wird, berechnet der SOC-Einschätzungsabschnitt zunächst den eingeschätzten elektrischen Stromwert I(t) aus der Spannung (t) der Sekundärzelle zu der Zeit t, die in den SOC-Einschätzungsabschnitt eingespeist wird, und schätzt den Ladezustand SOC(t) ein, der zu der Zeit t eintritt (S112). Wenn anschließend die Bremse eingeschaltet wird (S114), wird durch den Rückgewinnungsmengen-Berechnungsabschnitt eine Rückgewinnungsenergie zu der Zeit t berechnet (S116). Weiterhin berechnet der Elektrische-Eingangsleistungs-Begrenzungswert-Berechnungsabschnitt unter Verwendung der Gleichung (I) und der Gleichung (II) basierend auf dem eingeschätzten Ladezustand SOC(t) zu der Zeit t oder basierend auf dem eingeschätzten Ladezustand SOC(t) und der zurück gewonnenen Energie den Begrenzungswert der elektrischen Eingangsleistung W_in(t) (S118). Danach stellt der Zulässige-Elektrische-Ladeleistung-Berechnungsabschnitt durch Multiplizieren der Summe des Begrenzungswerts W_in der elektrischen Eingangsleistung und der erforderlichen elektrischen Leistung des Zubehörs 16 mit der Effizienz des Aufwärts/Abwärts-Spannungswandlers 13 eine für den Durchgang zulässige elektrische Leistung des Aufladeziels der Sekundärzelle fest (S120).
Anschließend stellt der Einspeisbare-Elektrische-Leistungsmenge-Berechnungsabschnitt eine Differenz d1 zwischen der berechneten seitens der Sekundärzelle zulässigen elektrischen Ladeleistung und der berechneten Elektrizitätserzeugungsmenge der Brennstoffzelle (d. h. die elektrische Leistungsmenge, die von der Brennstoffzelle in die Sekundärzelle eingespeist wird) fest (S122), und er erstellt eine Differenz d2 zwischen dem eingeschätzten Ladezustand (SOC-Menge) der Sekundärzelle und dem berechneten Begrenzungswert W_in der elektrischen Eingangsleistung (d. h. die Elektrizitätsmenge, die in der Sekundärzelle geladen werden kann) fest (S124), und danach wählt er die kleinere der Differenzen d1 und d2 aus, die wie obenstehend beschrieben festgestellt werden (S126). Weiterhin berechnet der Einspeisbare-Elektrische-Leistungsmenge-Berechnungsabschnitt basierend auf der ausgewählten kleineren Differenz die elektrische Leistungsmenge von der Brennstoffzelle 11, die in die Sekundärzelle eingespeist werden kann (128).
Der Spannungsanpassungsabschnitt steuert, wie in 4 gezeigt ist, in zumindest einem der nachfolgenden Fälle die Elektrizitätserzeugungsmenge der Brennstoffzelle 11 durch ein Anpassen der Betriebsspannung der Brennstoffzelle 11 zwischen der Leerlaufspannung und der Hochpotential-Vermeidungs-Spannung (S130): falls entweder die elektrische Leistung, die den Aufwärts/Abwärts-Spannungswandler 13 durchläuft, die für den Durchgang zulässige elektrische Leistung für den Aufladezweck der Sekundärzelle zumindest während einer Dauer überschreitet, die nach der Verbindung der FC-Relais 24 der Brennstoffzelle 11 folgt noch bevor die Elektrizitätserzeugung der Brennstoffzelle 11 zugelassen ist; falls der Begrenzungswert W_in der elektrischen Eingangsleistung der Sekundärzelle 12 zumindest während der oben genannten Dauer überschritten wird; und/oder falls die Rückgewinnungsmenge, die durch den Traktionsmotor 15 bereitgestellt wird, zumindest während der oben genannten Dauer nicht begrenzt ist. Das heißt, wie in 2 gezeigt ist, wird die Betriebsspannung der Brennstoffzelle 11 zu der Zeit des Startens des Brennstoffzellensystems vorübergehend auf die OCV angehoben. Um zu gewährleisten, dass die Haltbarkeit der Brennstoffzelle 11 aufrecht erhalten wird, wird die Betriebsspannung der Brennstoffzelle 11 (d. h. die gesamte Zellenspannung) anschließend vor dem Zulassen der Elektrizitätserzeugung der Brennstoffzelle 11 von der OCV auf die Hochpotential-Vermeidungs-Spannung abgesenkt. Bei diesem Betrieb wird die Betriebsspannung der Brennstoffzelle 11 zunächst mit einer normalen Absenkgeschwindigkeit abgesenkt. Wenn der Begrenzungswert W_in der elektrischen Eingangsleistung überschritten ist, wird die Geschwindigkeit des Absenkens der Betriebsspannung der Brennstoffzelle 11 angepasst (ein Bereich I, der in 2 durch eine gestrichelte-doppelt-gepunktete Linie eingekreist ist). Die Betriebsspannung der Brennstoffzelle 11 wird überwacht. Wenn die elektrische Leistung, die den Aufwärts/Abwärts-Spannungswandler 13 durchläuft, die seitens der Sekundärzelle zulässige elektrische Ladeleistung überschreitet, das heißt, wenn in dem unteren Teil der 2 die seitens der Sekundärzelle zulässige elektrische Ladeleistungsmenge überschritten wird, wird die Betriebsspannung der Brennstoffzelle 11 angepasst, das heißt angehoben, sodass die elektrische Leistung, die den Aufwärts/Abwärts-Spannungswandler 13 durchläuft, kleiner als die seitens der Sekundärzelle zulässige elektrische Ladeleistung wird. Wenn die elektrische Leistung, die den Aufwärts/Abwärts-Spannungswandler 13 durchläuft, danach kleiner als die seitens der Sekundärzelle zulässige elektrische Ladeleistung wird, wird die Betriebsspannung der Brennstoffzelle 11 auf die Hochpotential-Vermeidungs-Spannung gesenkt während die Absenkgeschwindigkeit der Betriebsspannung der Brennstoffzelle 11 derart angepasst wird, dass der Begrenzungswert W_in der elektrischen Eingangsleistung nicht überschritten wird. Hierbei ist zu beachten, dass die „seitens der Sekundärzelle zulässige elektrische Ladungsleistungsmenge” um den Betrag eines elektrischen Leistungsspielraums kleiner als die seitens der Sekundärzelle maximale aufladbare elektrische Leistung ist und zuvor in einem elektrischen Leistungsanpassungsabschnitt gespeichert wird. Darüber hinaus wird der Betrag des elektrischen Leistungsspielraums bei diesem Beispiel auf zum Beispiel 2 kW eingestellt. Allerdings wird der Betrag des elektrischen Leistungsspielraums übereinstimmend mit der Geschwindigkeit der Steuerung der Betriebsspannung der Brennstoffzelle angemessen eingestellt.
Zudem wird über den oben genannten Rückgewinnungsmengen-Berechnungsabschnitt, zumindest falls die Bremse während der Dauer, die nach der Verbindung der FC-Relais 24 der Brennstoffzelle folgt noch bevor die Elektrizitätserzeugung der Brennstoffzelle zugelassen wird, eingeschaltet wird, die Rückgewinnungsmenge durch den Traktionsmotor 15 berechnet, um ein zurück gewonnenes Drehmoment sicherzustellen. Falls die zurück gewonnenen Elektrizitätsmenge, die geladen wird, nicht begrenzt ist, und wenn die elektrische Leistung, die den Aufwärts/Abwärts-Spannungswandler 13 durchläuft, die seitens der Sekundärzelle zulässige elektrische Ladeleistung überschreitet, wie in dem unteren Teil der 2 gezeigt ist, wird die Betriebsspannung der Brennstoffzelle 11 angepasst, das heißt angehoben (ein Bereich II der in 2 durch eine gestrichelte-doppelt-gepunktete Linie eingekreist ist), sodass die elektrische Leistung, die den Aufwärts/Abwärts-Spannungswandler 13 durchläuft, kleiner als die seitens der Sekundärzelle zulässige elektrische Ladeleistung wird. Wenn die elektrische Leistung, die den Aufwärts/Abwärts-Spannungswandler 13 durchläuft, danach kleiner als die seitens der Sekundärzelle zulässige elektrische Ladeleistung wird, wird die Absenkgeschwindigkeit der Betriebsspannung der Brennstoffzelle 11 derart angepasst, dass der Begrenzungswert W_in der elektrischen Eingangsleistung nicht überschritten wird. Auf diese Weise wird die Betriebsspannung der Brennstoffzelle 11 auf die Hochpotential-Vermeidungs-Spannung abgesenkt.
Das Starten der Brennstoffzelle ist zu dem Zeitpunkt abgeschlossen (S132) wenn die Betriebsspannung der Brennstoffzelle 11 durch den Spannungsanpassungsabschnitt auf die Hochpotential-Vermeidungs-Spannung abgesenkt und stabilisiert ist. Daher wird die Elektrizitätserzeugungsmenge der Brennstoffzelle 11 zu der Zeit des Startens angepasst während der Ladezustand der Sekundärzelle 12 überwacht wird, und bei Bedarf wird ebenso die Rückgewinnungsmenge des Traktionsmotor 15 überwacht. Somit wird der Überladungszustand der Sekundärzelle 12 verhindert, und ebenso wird ein zurück gewonnenes Drehmoment des Traktionsmotors 15 sichergestellt.
Die Erfindung ist auf Gebieten anwendbar, bei denen Brennstoffzellensysteme verwendet werden, wie zum Beispiel die Fahrzeugherstellerindustrie und dergleichen.
Obwohl die Erfindung mit Bezug auf beispielgebende Ausführungsformen derselben beschrieben worden ist, ist zu beachten, dass die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen oder Konstruktionen beschränkt ist. Es ist hingegen vorgesehen, dass die Erfindung verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen abdeckt. Obwohl die verschiedenen Elemente der offenbarten Erfindung in verschiedenen beispielgebenden Kombinationen und Konfigurationen gezeigt sind, sind zudem andere Kombinationen mit mehreren oder wenigeren oder lediglich einem einzelnen Element ebenso in dem Umfang der angehängten Ansprüche umfasst.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2007-26891 [0003, 0003, 0004, 0004]

Claims

Brennstoffzellensystem, aufweisend: eine Brennstoffzelle, die Elektrizität durch eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Brennstoffgas und einem Oxidationsgas erzeugt; eine Sekundärzelle, die aufladbar und entladbar ist, und die mit elektrischer Leistung aufgeladen wird, die von der Brennstoffzelle abgegeben wird; und einen Steuerabschnitt, der eine Elektrizitätsmenge steuert, die von der Brennstoffzelle zu einer Zeit des Startens der Brennstoffzelle erzeugt wird, wobei der Steuerabschnitt einen Spannungsanpassungsabschnitt aufweist, der die Sekundärzelle zu der Zeit des Startens der Brennstoffzelle mit überschüssiger elektrischer Leistung auflädt, und der eine Spannung der Brennstoffzelle zwischen einer Leerlaufspannung und einer Hochpotenzial-Vermeidungs-Spannung anpasst, falls ein Überladen der Sekundärzelle zu erwarten ist während die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle von der Leerlaufspannung auf die Hochpotenzial-Vermeidungs-Spannung gesenkt wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend: einen Spannungstransformator, der zwischen der Sekundärzelle und einem Verbraucher bereitgestellt ist; und ein Triebwerk, wobei im Zusammenhang mit dem Spannungsanpassungsabschnitt derjenige Fall, dass ein Überladen der Sekundärzelle zu erwarten ist, zumindest dann zutrifft, falls entweder eine elektrische Durchgangsleistung, die den Spannungstransformator durchläuft, eine für den Durchgang zulässige elektrische Leistung für den Aufladezweck der Sekundärzelle, die basierend auf zumindest einer Effizienz des Spannungstransformators und auf einem Begrenzungswert der elektrischen Eingangsleistung für die Sekundärzelle festgestellt wird, überschreitet, falls der Begrenzungswert der elektrischen Eingangsleistung für die Sekundärzelle überschritten wird, und/oder falls eine Rückgewinnungsmenge durch das Triebwerk, die in der Sekundärzelle geladen wird, nicht begrenzt ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Steuerabschnitt weiterhin umfasst: einen Elektrische-Erzeugungsmenge-Berechnungsabschnitt, der durch Messen einer Spannung der Brennstoffzelle eine Elektrizitätsmenge berechnet, die durch die Brennstoffzelle erzeugt wird; einen SOC-Einschätzungsabschnitt, der einen Ladezustand der Sekundärzelle einschätzt; einen Rückgewinnungsmengen-Berechnungsabschnitt, der eine Rückgewinnungsmenge berechnet, die durch das Triebwerk bereitgestellt wird; einen Elektrische-Eingangsleistung-Begrenzungswert-Berechnungsabschnitt, der basierend auf dem eingeschätzten Ladezustand der Sekundärzelle und auf der Rückgewinnungsmenge durch das Triebwerk einen Begrenzungswert der elektrischen Eingangsleistung für die Sekundärzelle berechnet; einen Zulässige-Elektrische-Ladeleistung-Berechnungsabschnitt, der basierend auf zumindest einer Effizienz eines Spannungstransformators und auf dem Begrenzungswert der elektrischen Eingangsleistung eine für den Durchgang zulässige elektrische Leistung des Aufladeziels der Sekundärzelle feststellt; und einen Einspeisbare-Elektrische-Leistungsmenge-Berechnungsabschnitt, der eine erste Differenz zwischen der berechneten, seitens der Sekundärzelle zulässigen elektrischen Ladeleistung und der berechneten Elektrizitätsmenge, die durch die Brennstoffzelle erzeugt wird, feststellt, und der eine zweite Differenz zwischen dem eingeschätzten Ladezustand der Sekundärzelle und dem berechneten Begrenzungswert der elektrischen Eingangsleistung feststellt, und der basierend auf einer kleineren Differenz der ersten Differenz und der zweiten Differenz eine elektrische Leistungsmenge berechnet, die in die Sekundärzelle einspeisbar ist, und wobei der Spannungsanpassungsabschnitt basierend auf einer einspeisbaren elektrischen Leistungsmenge eine Elektrizitätsmenge, die von der Brennstoffzelle erzeugt werden kann, berechnet und die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle zwischen der Leerlaufspannung und einer Soll-Spannung anpasst.
Fahrzeug, welches das Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3 aufweist.
Steuerungsverfahren für ein Brennstoffzellensystem, das umfasst: eine Brennstoffzelle, die Elektrizität durch eine elektrochemische Reaktion zwischen einem Brennstoffgas und einem Oxidationsgas erzeugt; eine Sekundärzelle, die aufladbar und entladbar ist, und die mit elektrischer Leistung aufgeladen wird, die von der Brennstoffzelle abgegeben wird; und einen Steuerabschnitt, der eine Elektrizitätsmenge steuert, die von der Brennstoffzelle zu einer Zeit des Startens der Brennstoffzelle erzeugt wird, wobei das Steuerungsverfahren aufweist: Aufladen der Sekundärzelle mit überschüssiger elektrischer Leistung zu der Zeit des Startens der Brennstoffzelle; Bestimmen, ob die Sekundärzelle überladen werden wird oder nicht, wenn eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle von einer Leerlaufspannung auf eine Hochpotenzial-Vermeidungs-Spannung gesenkt wird, und Anpassen einer Spannung der Brennstoffzelle zwischen der Leerlaufspannung und der Hochpotenzial-Vermeidungs-Spannung, wenn bestimmt wird, dass die Sekundärzelle überladen werden wird.