DE112012005089T5 - Klimaanlage für ein Brennstoffzellenfahrzeug und Steuerverfahren hierfür - Google Patents

Klimaanlage für ein Brennstoffzellenfahrzeug und Steuerverfahren hierfür Download PDF

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c/o Denso Corp. Sakajoh Yuuichi
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Abstract

Eine Klimaanlage für ein Brennstoffzellenfahrzeug umfasst: ein Kühlsystem (500), das eine Temperatur einer Brennstoffzelle (2) einstellt; eine Abwärmesammeleinheit (61), die zumindest einen Teil der Abwärme der Brennstoffzelle (2) sammelt und die gesammelte Abwärme dazu nutzt, um einen Fahrgastraum des Brennstoffzellenfahrzeugs zu heizen; und eine Wärmeerzeugungseinheit (2), die Wärme zum Heizen des Brennstoffzellenfahrzeugs erzeugt. Die Klimaanlage für das Brennstoffzellenfahrzeug berechnet eine Kraftstoffverbrauchsmenge, die von der Brennstoffzelle (2) benötigt wird, um eine Gesamtleistungserzeugungsmenge zu erzeugen, welche die Summe einer Heizleistungserzeugungsmenge und einer Fahrleistungserzeugungsmenge ist, berechnet eine optimale Temperatur, die eine Temperatur der Brennstoffzelle (2) darstellt, bei welcher die Kraftstoffverbrauchsmenge minimal wird, und steuert das Kühlsystem (500) derart, dass die Temperatur der Brennstoffzelle (2) die optimale Temperatur erreicht.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft eine Klimaanlage, die bei einem Brennstoffzellenfahrzeug Anwendung findet, sowie ein Steuerverfahren hierfür.
  • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • Bei einer herkömmlichen Klimaanlagen für ein Brennstoffzellenfahrzeug, das eine Brennstoffzelle als Antriebsquelle nutzt, wird ein Heizeffekt verbessert, indem Wärme aus einem heißen Kühlwasser bzw. einem Kühlwasser mit hoher Temperatur, das zum Kühlen der Brennstoffzelle genutzt wird, oder anders ausgedrückt: die Abwärme der Brennstoffzelle, einem Heizkern zum Heizen des Fahrgastraums zugeführt wird.
  • Eine herkömmliche Klimaanlage für ein Brennstoffzellenfahrzeug bzw. Brennstoffzellenfahrzeugklimaanlage dieser Art umfasst ein Betriebszustanderfassungsmittel zum Erfassen oder Vorhersagen eines Fahrzeugstopzustandes, ein Thermalzustanderfassungsmittel zum Erfassen von zumindest einer Brennstoffzellentemperatur und/oder einer in einem Brennstoffzellensystem gespeicherten Wärme, d. h. einer Wärmemenge, die zum Heizen verwendet werden kann. Bei der Klimaanlage variiert, wenn der Fahrzeugstopzustand während des Betriebs erfasst oder vorhergesagt wird, eine Menge der Brennstoffzellenabwärme, die in einem Heizkern gespeichert wird, entsprechend einer Ausgabe des Thermalzustanderfassungsmittels (siehe beispielsweise die japanische Offenlegungsschrift JP 2004-146144 A ).
  • Gemäß dem in der JP 2004-146144 A beschriebenen Stand der Technik wird die Menge der zum Heizen verwendeten Abwärme entsprechend dem thermischen Zustand des Brennstoffzellensystems variiert, so dass eine übermäßige Wärmeentnahme aus dem Brennstoffzellensystem verhindert werden kann. Als Ergebnis kann die Brennstoffzelle bei einer Temperatur gehalten werden, die einen effizienten Betrieb der Brennstoffzelle ermöglicht, und die Brennstoffzelle kann schnell nach einem zeitweiligen Stopp reaktiviert werden, so dass Leistung für das Fahrzeug entnommen werden kann. Daher kann während eines Leerlaufstops mittels einer einfachen Konstruktion geheizt werden.
  • Bei dem in der JP 2004-146144 A beschriebenen Stand der Technik ist die Verwendung der im Brennstoffzellensystem gespeicherten Abwärme während eines Normalbetriebs des Brennstoffzellenfahrzeugs nicht vorgesehen.
  • Wenn zudem überschüssige Abwärme von der Brennstoffzelle einfach während des Normalbetriebs im Brennstoffzellenfahrzeug im Brennstoffzellensystem gespeichert wird, steigt die Temperatur über die Temperatur an, bei welcher die Brennstoffzelle effizient arbeiten kann. Als Ergebnis kann die Leistungserzeugungseffizienz der Brennstoffzelle abnehmen, was zu einer Verschlechterung der Kraftstoffeffizienz des Fahrzeugs führt.
  • KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung schafft eine Klimaanlage für ein Brennstoffzellenfahrzeug und ein Steuerverfahren hierfür, mittels welchen während eines Normalbetriebs des Brennstoffzellenfahrzeugs geheizt werden kann, während die Verschlechterung der Kraftstoffeffizienz des Fahrzeugs unterdrückt werden kann.
  • Ein erster Aspekt der Erfindung ist gerichtet auf eine Brennstoffzellenfahrzeugklimaanlage bzw. Klimaanlage für ein Brennstoffzellenfahrzeug, aufweisend: eine Brennstoffzelle, die Leistung vermittels einer elektrochemischen Reaktion zwischen einem Oxidationsgas und einem Brenngas erzeugt; ein Kühlsystem, das eine Temperatur der Brennstoffzelle einstellt; eine Abwärmesammeleinheit, die zumindest einen Teil der Abwärme der Brennstoffzelle über das Kühlsystem sammelt und die gesammelte Abwärme dazu nutzt, um einen Fahrgastraum des Brennstoffzellenfahrzeugs zu heizen; eine Wärmeerzeugungseinheit, die Wärme zum Heizen des Brennstoffzellenfahrzeugs erzeugt; und eine Steuervorrichtung. Die Steuervorrichtung weist auf: eine Speicherwärmemenge-Berechnungseinheit, die ausgestaltet ist, um eine in der Brennstoffzelle gespeicherte Wärmemenge zu berechnen; eine Bezugszeit-Bedarfsheizwärmemenge-Berechnungseinheit, die ausgestaltet ist, um eine Bedarfsheizwärmemenge zu berechnen, die eine Wärmemenge darstellt, die benötigt wird, um ein benötigtes Heizen für eine vorgegebene Bezugszeit auszuführen; eine Heizleistungserzeugungsmenge-Berechnungseinheit, die ausgestaltet ist, um, auf Basis der Bedarfsheizwärmemenge und der in der Brennstoffzelle gespeicherten Wärmemenge, eine Heizleistungserzeugungsmenge zu berechnen, die einen Betrag der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle darstellt, der für das Heizen benötigt wird, das von der Wärmeerzeugungseinheit ausgeführt werden soll; eine Fahrleistungserzeugungsmenge-Berechnungseinheit, die ausgestaltet ist, um eine Fahrleistungserzeugungsmenge zu berechnen, die einen Betrag der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle darstellt, der für das Fahren des Brennstoffzellenfahrzeugs benötigt wird; eine Optimaltemperatur-Berechnungseinheit, die ausgestaltet ist, um eine Kraftstoffverbrauchsmenge zu berechnen, die von der Brennstoffzelle benötigt wird, um eine Gesamtleistungserzeugungsmenge zu erzeugen, welche die Summe der Heizleistungserzeugungsmenge und der Fahrleistungserzeugungsmenge ist, und um eine Optimaltemperatur zu berechnen, die eine Temperatur der Brennstoffzelle darstellt, bei welcher die Kraftstoffverbrauchsmenge minimal wird; und eine Steuereinheit, die ausgestaltet ist, um das Kühlsystem derart zu steuern, dass die Temperatur der Brennstoffzelle die Optimaltemperatur erreicht.
  • Ein zweiter Aspekt der Erfindung ist gerichtet auf ein Steuerverfahren für eine Klimaanlage für ein Brennstoffzellenfahrzeug, das eine Brennstoffzelle hat, die Leistung vermittels einer elektrochemischen Reaktion zwischen einem Oxidationsgas und einem Brenngas erzeugt, ein Kühlsystem, das eine Temperatur der Brennstoffzelle einstellt, eine Abwärmesammeleinheit, die zumindest einen Teil der Abwärme der Brennstoffzelle über das Kühlsystem sammelt und die gesammelte Abwärme dazu nutzt, um einen Fahrgastraum eines Brennstoffzellenfahrzeugs zu heizen, und eine Wärmeerzeugungseinheit, die Wärme zum Heizen des Brennstoffzellenfahrzeugs erzeugt. Das Steuerverfahren weist auf: Berechnen einer in der Brennstoffzelle gespeicherten Wärmemenge; Berechnen einer Bedarfsheizwärmemenge, die eine Wärmemenge darstellt, die benötigt wird, um ein benötigtes Heizen für eine vorgegebene Bezugszeit auszuführen; Berechnen einer Heizleistungserzeugungsmenge, die einen Betrag der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle darstellt, der für das Heizen benötigt wird, das von der Wärmeerzeugungseinheit ausgeführt werden soll, auf Basis der Bedarfsheizwärmemenge und der in der Brennstoffzelle gespeicherten Wärmemenge; Berechnen einer Fahrleistungserzeugungsmenge, die einen Betrag der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle darstellt, der für das Fahren des Brennstoffzellenfahrzeugs benötigt wird; Berechnen einer Kraftstoffverbrauchsmenge, die von der Brennstoffzelle benötigt wird, um eine Gesamtleistungserzeugungsmenge zu erzeugen, welche die Summe der Heizleistungserzeugungsmenge und der Fahrleistungserzeugungsmenge ist, und Berechnen einer Optimaltemperatur, die eine Temperatur der Brennstoffzelle darstellt, bei welcher die Kraftstoffverbrauchsmenge minimal wird; und Steuern des Kühlsystems derart, dass die Temperatur der Brennstoffzeile die Optimaltemperatur erreicht.
  • Gemäß den vorstehend beschriebenen Konfigurationen kann die Kraftstoffverbrauchsmenge verringert werden, indem die Optimaltemperatur bzw. optimale Temperatur berechnet wird, welche die Temperatur der Brennstoffzelle ist, bei welcher die Kraftstoffverbrauchsmenge, die von der Brennstoffzelle benötigt wird, um eine Gesamtleistungserzeugungsmenge, d. h. die Summe der Heizleistungserzeugungsmenge und der Fahrleistungserzeugungsmenge, zu erzeugen, minimal wird, und indem das Kühlsystem derart gesteuert wird, dass die Temperatur der Brennstoffzeile die Optimaltemperatur erreicht, so dass, im Ergebnis, die Verschlechterung der Fahrzeugkraftstoffeffizienz unterdrückt werden kann. Ferner wird diese Steuerung nicht nur ausgeführt, wenn das Fahrzeug einen Leerlaufstop durchführt, sondern auch während des Normalbetriebs, so dass das Brennstoffzellenfahrzeug während des Normalbetriebs geheizt werden kann. Daher kann das Brennstoffzellenfahrzeug während des Normalbetriebs geheizt werden, während die Verschlechterung der Fahrzeugkraftstoffeffizienz unterdrückt werden kann.
  • Die Steuereinheit kann ausgestaltet sein, um, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle die Optimaltemperatur übersteigt, eine Steuerung auszuführen, um die Temperatur der Brennstoffzelle auf die Optimaltemperatur zu senken.
  • Die Steuereinheit kann ausgestaltet sein, um, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle unter der Optimaltemperatur liegt, eine Steuerung auszuführen, um die Abwärme der Brennstoffzelle in der Brennstoffzelle zu speichern.
  • Gemäß der vorstehend beschriebenen Konfiguration kann, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle unter der Optimaltemperatur liegt, die Temperatur der Brennstoffzelle hin zur Optimaltemperatur erhöht werden, indem die Abwärme der Brennstoffzelle in der Brennstoffzelle gespeichert wird. Daher kann die Verschlechterung der Fahrzeugkraftstoffeffizienz noch zuverlässiger unterdrückt werden.
  • Die Wärmeerzeugungseinheit kann eine von der Brennstoffzelle ausgegebene Wärmemenge erhöhen, indem sie die Leistungserzeugungseffizienz der Brennstoffzelle unter die bei Normalbetrieb senkt.
  • Die Wärmeerzeugungseinheit kann ein elektrisches Heizgerät sein. Die Wärmeerzeugungseinheit kann auch ein Verbrennungsheizgerät sein, das Wärme durch Verbrennen eines Kraftstoffs erzeugt.
  • Die Bedarfsheizwärmemenge-Berechnungseinheit kann derart ausgestaltet sein, um die Bedarfsheizwärmemenge auf Basis von zumindest einer Solltemperatur des Fahrgastraums, die durch einen Fahrgast eingestellt wird, einer Temperatur außerhalb des Fahrgastraums, die eine Temperatur darstellt, die außerhalb des Fahrgastraums herrscht, einer Temperatur innerhalb des Fahrgastraums, die eine Temperatur darstellt, die innerhalb des Fahrgastraums herrscht, und/oder einer Sonneneinstrahlungsmenge, die in den Fahrgastraum gelangt, zu berechnen.
  • Die Speicherwärmemenge-Berechnungseinheit kann derart ausgestaltet sein, um die Menge der in der Brennstoffzelle gespeicherten Wärme auf Basis von zumindest der Temperatur der Brennstoffzelle, einer Wärmekapazität des Kühlsystems und/oder einer Temperatur, bei oder über welcher die Brennstoffzelle eine vorgegebene Leistungserzeugungskapazität zeigt, zu berechnen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHUNG
  • Die Merkmale und Vorteile sowie die technische und wirtschaftliche Bedeutung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in welcher gleiche Bezugszeichen dazu verwendet werden, um gleiche Elemente zu bezeichnen; hierbei zeigt:
  • 1 eine Übersichtsdarstellung einer Konstruktion einer Klimaanlage für ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
  • 2 ein Blockschaubild einer elektronischen Steuereinheit der Klimaanlage für ein Brennstoffzellenfahrzeug;
  • 3 ein Flußschaubild, das einen Steuerprozess zeigt, der von der Klimaanlage für ein Brennstoffzellenfahrzeug ausgeführt wird;
  • 4 eine Ansicht, welche die Berechnung der Bezugszeit-Bedarfsheizwärmemenge Qac zeigt, die in Schritt S4 von 3 verwendet wird;
  • 5 eine Ansicht, welche ein Steuerkennfeld zum Berechnen einer Niedrigeffizienzbetriebsmodusdurchschnittsausgabe Peh zeigt, die in Schritt S7 von 3 verwendet wird;
  • 6 eine charakteristische Ansicht, welche eine Beziehung zwischen der Brennstoffzellentemperatur und einer Gesamtausgangsleistung einer Brennstoffzelle zeigt; und
  • 7 eine Ansicht, welche ein Steuerkennfeld zum Berechnen einer Optimaltemperatur Tfcc zeigt, die in Schritt S10 von 3 verwendet wird.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Eine Ausführungsform der Erfindung wird basierend auf den 1 bis 7 beschrieben. 1 zeigt eine Übersichtsdarstellung einer Konstruktion einer Klimaanlage für ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Eine Klimaanlage 1 für ein Brennstoffzellenfahrzeug bzw. eine Brennstoffzellenfahrzeugklimaanlage 1 wird bei einem so genannten Brennstoffzellenfahrzeug verwendet, das eine Art elektrisches Fahrzeug darstellt.
  • Wie in 1 gezeigt ist, umfasst die Klimaanlage 1 für ein Brennstoffzellenfahrzeug eine Brennstoffzelle 2, die Leistung bzw. Strom vermittels einer elektrochemischen Reaktion zwischen Luft (ein Oxidationsgas) und Wasserstoff (ein Brenngas) erzeugt. Die Brennstoffzelle 2 hat einen Stapelaufbau, in welchem mehrere einzelne Zellen, die bei Versorgung mit Luft und Wasserstoff Leistung erzeugen, gestapelt sind.
  • Ein Teil der durch die Brennstoffzelle 2 erzeugten Gleichstromleistung wird durch einen ersten Inverter 21 in Wechselstrom umgewandelt und verschiedenen elektrischen Abnehmern, wie beispielsweise einem elektrischen Fahrzeugantriebsmotor 22, zugeführt. Ein weiterer Teil der von der Brennstoffzelle 2 erzeugten Gleichstromleistung wird durch einen Gleichstromwandler (DC/DC-Wandler) 23 hoch- und herunter-transformiert und in eine Sekundärbatterie 24, die als Leistungsspeichereinheit dient, geladen. Zudem wird ein Teil der durch den DC/DC-Wandler 23 hoch- und heruntertransformierten Leistung durch einen zweiten Inverter 25 in Wechselstrom umgewandelt und einem Luftpumpenelektromotor 26 einer Luftpumpe 42 zugeführt, die später beschrieben werden wird.
  • Das Brennstoffzellenfahrzeug gemäß dieser Ausführungsform führt ein regeneratives Bremsen unter Verwendung des elektrischen Fahrzeugantriebsmotors 22 und dergleichen während der Verzögerung oder Bergabfahrt durch. Regenerative Leistung, die aus dem regenerativen Bremsen erhalten wird, wird in der Sekundärbatterie 24 gespeichert.
  • Eine Wasserstoffzufuhrleitung 30 zum Zuführen von Wasserstoff zu den jeweiligen einzelnen Zellen sowie eine Wasserstoffauslassleitung 31, die erzeugtes Wasser und Stickstoff, die im Inneren der jeweiligen einzelnen Zellen verbleiben, aus der Brennstoffzelle 2 zusammen mit unreagiertem Wasserstoff abführt, sind mit der Brennstoffzelle 2 verbunden. Die Wasserstoffzufuhrleitung 30 und die Wasserstoffauslassleitung 31 gemäß dieser Ausführungsform sind miteinander über eine Wasserstoffzirkulationsleitung 32 verbunden.
  • Ein Hochdruckwasserstofftank 33, der mit unter hohem Druck stehendem Wasserstoff gefüllt ist, ist an einem am Weitesten stromauf gelegenen Abschnitt der Wasserstoffzufuhrleitung 30 angeordnet. Zudem ist ein Wasserstoffdruckregelventil 34, das einen Druck der Brennstoffzelle 2 zugeführten Wasserstoffs auf einen vorgegebenen Druck regelt, in der Wasserstoffzufuhrleitung 30 zwischen dem Hochdruckwasserstofftank 33 und der Brennstoffzelle 2 angeordnet.
  • Ein Auslassventil 35 zum Ausgeben von Wasserstoff aus der Brennstoffzelle 2 nach außen ist in der Wasserstoffauslassleitung 31 angeordnet. Wenn das Auslassventil 35 offen ist, werden Wasserstoff, Dampf (oder Wasser) und Verunreinigungen durch die Wasserstoffauslassleitung 31 von einer Wasserstoffelektrodenseite der Brennstoffzelle 2 ausgegeben. Die Verunreinigungen umfassen Stickstoff und Sauerstoff, der durch eine Elektrolytmembran von einer Luftelektrodenseite der Brennstoffzelle 2 zur Wasserstoffelektrodenseite der Brennstoffzelle 2 strömt.
  • Die Wasserstoffzirkulationsleitung 32 gabelt sich von der Wasserstoffauslassleitung 31 stromauf des Auslassventils 35 und ist mit der Wasserstoffzufuhrleitung 30 stromab des Wasserstoffdruckregelventils 34 verbunden. Als Ergebnis wird Brenngasabgas, das unverbrauchten Wasserstoff enthält, und aus der Brennstoffzelle 2 strömt, zirkuliert und somit der Brennstoffzelle 2 erneut zugeführt. Zudem ist eine Wasserstoffzirkulationspumpe 36, welche das Brenngasabgas zur Wasserstoffzufuhrleitung 30 zirkuliert, in der Wasserstoffzirkulationsleitung 32 angeordnet.
  • Daneben ist eine Luftzufuhrleitung 40 zum Zuführen von Luft zu den jeweiligen einzelnen Zellen sowie eine Luftauslassleitung 41, welche das in dem Inneren der jeweiligen einzelnen Zellen verbleibende erzeugte Wasser aus der Brennstoffzelle 2 zusammen mit Luft nach außen abführt, mit der Brennstoffzelle 2 verbunden.
  • Die Luftpumpe 42 ist in der Luftzufuhrleitung 40 als Pumpeneinheit ausgebildet, welche der Brennstoffzelle 2 Luft zupumpt. Die Luftpumpe 42 ist eine elektrische Pumpe, in welcher ein Pumpenlaufrad, das in einem Gehäuse angeordnet ist, das eine Pumpenkammer bildet, durch den Luftpumpenelektromotor 26 angetrieben wird.
  • Der Luftpumpenelektromotor 26 ist ein Wechselstrommotor dessen Betrieb (Drehzahl) durch eine Wechselstromspannungsausgabe vom zweiten Inverter 25 gesteuert wird. Darüber hinaus gibt der zweite Inverter 25 die Wechselstromspannung in einer Frequenz aus, die einem Steuersignal entspricht, das von einer Steuervorrichtung 8 ausgegeben wird, wie später beschrieben werden wird. Durch Steuern der Drehzahl auf diese Weise wird die Luftpumpenkapazität der Luftpumpe 42 gesteuert.
  • Zudem ist ein Luftdruckregelventil 43, das einen Druck (einen Gegendruck) der Luft an der Luftelektrodenseite der Brennstoffzelle 2 auf einen vorgegebenen Druck regelt, in der Luftauslassleitung 41 angeordnet. Ein Betrieb des Luftdruckregelventils 43 wird entsprechend einem Steuersignal, das von der Steuervorrichtung 8 ausgegeben wird, gesteuert.
  • Die Brennstoffzellenfahrzeugklimaanlage 1 umfasst ein Kühlsystem 500, das eine Temperatur der Brennstoffzelle 2 durch Zuführen vom Kühlwasser zur Brennstoffzelle 2 steuert. Das Kühlsystem 500 umfasst einen Kühlwasserzirkulationskreis 5, der das Kühlwasser zur Brennstoffzelle 2 zirkuliert/zuführt.
  • Der Kühlwasserzirkulationskreis 5 umfasst eine Kühlwasserzirkulationsströmungsleitung 51, welche das Kühlwasser zur Brennstoffzelle 2 sowie einem Radiator 55 zirkulierdzuführt, wie später beschrieben werden wird, eine Bypassströmungsleitung 52, die verhindert, dass Kühlwasser in den Radiator 55 strömt, eine Kühlwasserzirkulationspumpe 53, welche das Kühlwasser zur Kühlwasserzirkulationsströmungsleitung 51 zirkuliert, die Bypassströmungsleitung 52 und dergleichen, sowie ein elektrisches Dreiwegeventil 54, welches diejenige Strömungsleitung steuert, durch welche das Kühlwasser zirkuliert, usw.
  • Der Radiator 55 ist in der Kühlwasserzirkulationsströmungsleitung 51 angeordnet. Der Radiator 55 fungiert als Wärmeabgabewärmetauscher, der Wärme vom Kühlwasser durch Ausführen eines Wärmeaustauschs zwischen dem Kühlwasser und von einem Gebläse 55a angeblasener Luft austauscht. Ferner ist ein Kühlwassertemperatursensor 56 in der Kühlwasserzirkulationsströmungsleitung 51 an einer Auslassseite der Brennstoffzelle 2 angeordnet, der eine Kühlwassertemperatur Tw erfasst.
  • Die Kühlwasserzirkulationspumpe 53 ist eine elektrische Pumpe, welche das Kühlwasser zur Brennstoffzelle 2 durch den Kühlwasserzirkulationskreis 5 pumpt. Eine Drehzahl (Durchflussmenge) der Kühlwasserzirkulationspumpe 53 wird durch ein Steuersignal gesteuert, das von der Steuervorrichtung 8 ausgegeben wird.
  • Das Dreiwegeventil 54 fungiert als eine Kreisschalteinheit zum Schalten zwischen der Kühlwasserzirkulationsströmungsleitung 51 und der Bypassströmungsleitung 52. Ein Betrieb des Dreiwegeventils 54 wird durch eine Steuerspannung gesteuert, die von der Steuervorrichtung 8 ausgegeben wird.
  • Genauer gesagt umfasst das Dreiwegeventil 54 drei Ventile, die einen ersten Einlass, einen zweiten Einlass sowie einen Auslass bilden. Der erste Einlass des Dreiwegeventils 54 ist mit einer Auslassseite des Radiators 55 über die Kühlwasserzirkulationsströmungsleitung 51 verbunden, und der zweite Einlass des Dreiwegeventils 54 ist mit einem Auslass der Bypassströmungsleitung 52 verbunden. Der Auslass des Dreiwegeventils 54 ist mit einer Einlassseite der Kühlwasserzirkulationspumpe 53 über die Kühlwasserzirkulationsströmungsleitung 51 verbunden.
  • Im Dreiwegeventil 54 wird, wenn die Temperatur des Kühlwassers niedrig ist (beispielsweise wenn die Brennstoffzelle 2 aufgewärmt werden muss), der erste Einlass geschlossen und der zweite Einlass geöffnet. Als Ergebnis zirkuliert das Kühlwasser derart, dass es durch die Bypassströmungsleitung 52 strömt, ohne durch den Radiator 55 zu gelangen, so dass die Temperatur des Kühlwassers ansteigt. Wenn die Temperatur des Kühlwassers hoch ist (beispielsweise wenn die Temperatur des Kühlwassers eine obere Grenztemperatur übersteigt, bei welcher die Brennstoffzelle 2 stabil arbeiten kann), wird dagegen der erste Einlass geöffnet und der zweite Einlass geschlossen. Als Ergebnis wird das Kühlwasser durch den Radiator 55 gekühlt, so dass die Temperatur des Kühlwassers sinkt.
  • Eine Heizkernzirkulationsströmungsleitung 6, welche das Kühlwasser einem Heizkern 61 zuführt, ist mit dem Kühlwasserzirkulationskreis 5 verbunden. Die Heizkemzirkulationsströmungsleitung 6 gabelt sich von dem Kühlwasserzirkulationskreis 5 weiter stromauf in Strömungsrichtung des Kühlwassers als ein Gabelpunkt der Bypassströmungsleitung 52 im Kühlwasserzirkulationskreis 5. In anderen Worten, eine Einlassseite der Heizkernzirkulationsströmungsleitung 6 ist mit dem Kühlwasserzirkulationskreis 5 zwischen dem Gabelpunkt der Bypassströmungsleitung 52 und dem Kühlwassertemperatursensor 56 verbunden. Ein Auslass der Heizkernzirkulationsströmungsleitung 6 ist mit dem Kühlwasserzirkulationskreis 5 zwischen dem Dreiwegeventil 54 und der Kühlwasserzirkulationspumpe 53 verbunden.
  • Ferner sind der Heizkern 61 sowie ein Sperrventil 62 in der Heizkernzirkulationsströmungsleitung 6 angeordnet. Das Sperrventil 62 und der Heizkern 61 sind in dieser Reihenfolge von einer stromaufwärtigen Seite der Heizkernzirkulationsströmungsleitung 6 in Strömungsrichtung des Kühlwassers angeordnet.
  • Der Heizkern 61 dient als Heizwärmeaustauscher, der geblasene Luft (Klimaanlagenluft), die durch ein (nicht dargestelltes) Gebläse geblasen wird, durch Ausführen eines Wärmeaustauschs zwischen der geblasenen Luft und dem Kühlwasser aufwärmt. Der Heizkern 61 dient auch als Abwärmesammeleinheit, die dazu verwendet wird, um das Brennstoffzellenfahrzeug durch Sammeln zumindest eines Teils der Abwärme von der Brennstoffzelle 2 über das Kühlsystem 500 zu erwärmen.
  • Das Sperrventil 62 ist ein elektrisches Steuerventil, das die Zufuhr von Kühlwasser von der Kühlwasserzirkulationsströmungsleitung 51 zum Heizkern 61 entweder sperrt oder zulässt. Ein Betrieb des Sperrventils 62 wird durch eine Steuerspannung gesteuert, die von der Steuervorrichtung 8 ausgegeben wird.
  • Nachfolgend wird ein elektrisches Steuersystem gemäß dieser Ausführungsform unter Verwendung von 2 beschrieben. 2 ist ein Blockschaubild, welches das elektrische Steuersystem der Klimaanlage für das Brennstoffzellenfahrzeug gemäß dieser Ausführungsform zeigt.
  • Wie in 2 gezeigt ist, wird die Steuervorrichtung 8 durch einem herkömmlichen Mikrocomputer mit einem Rechenkern (CPU), einem Festspeicher (ROM), einem Arbeitsspeicher (RAM) und dergleichen, sowie deren peripherer Schaltungen gebildet. Die Steuervorrichtung 8 steuert den Betrieb verschiedener Vorrichtungen, die mit einer Ausgangsseite derselben verbunden sind, durch Ausführen von verschiedenen Berechnungen und Prozessen auf Basis eines Klimaanlagensteuerprogramms, das im ROM gespeichert ist.
  • Die jeweiligen Inverter 21, 25 der DC/DC-Wandler 23, die jeweiligen Druckregelventile 34, 43, das Auslassventil 35, die jeweiligen Zirkulationspumpen 36, 53, die Luftpumpe 42, das Dreiwegeventil 54, das Gebläse 55a, das Sperrventil 62 und dergleichen sind mit einer Auslassseite der Steuervorrichtung 8 verbunden.
  • Ferner sind ein Stromsensor 27, der einen Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 2 erfasst, ein Spannungssensor 28, der eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 2 erfasst, ein Außenlufttemperatursensor (eine Erfassungseinheit für die Temperatur außerhalb des Fahrgastraums) 81, welche eine Temperatur Tam außerhalb des Fahrgastraums (eine Außenlufttemperatur) erfasst, ein Innenlufttemperatursensor (eine Erfassungseinheit für die Temperatur innerhalb des Fahrgastraums) 82, welche eine Temperatur Tr innerhalb des Fahrgastraums erfasst (eine Innenlufttemperatur), ein Sonneneinstrahlungssensor (eine Erfassungseinheit für die Sonneneinstrahlungsmenge) 83, der eine Sonneneinstrahlungsmenge Ts, die in den Fahrgastraum gelangt, erfasst und dergleichen mit einer Eingangsseite der Steuervorrichtung 8 verbunden.
  • Überdies werden Steuersignale von verschiedenen Klimaanlagenbedienschaltern, die an einem Bedienfeld 9 in der Nähe eines Instrumentenfelds in einem vorderen Bereich des Fahrgastraums angeordnet sind, in die Eingangsseite der Steuervorrichtung 8 eingegeben. Genauer gesagt ist das Bedienfeld 9 mit einem Bedienschalter 91 für die Brennstoffzellenfahrzeugklimaanlage 1 ausgestattet, einem Einstellschalter 92 für die Fahrgastrauminnentemperatur, einer Anzeigeeinheit 93, die einen augenblicklichen Betriebszustand der Brennstoffzellenfahrzeugklimaanlage 1 zeigt, und dergleichen. Der Einstellschalter 92 für die Fahrgastrauminnentemperatur dient als Solltemperatureinstelleinheit, die eine Fahrgastinnenraumsolltemperatur Tset ansprechend auf eine Betätigung durch einen Fahrgast einstellt.
  • Steuereinheiten zum Steuern der jeweiligen zu steuernden Vorrichtungen die mit der Ausgangsseite der Steuervorrichtung 8 verbunden sind, sind in die Steuervorrichtung 8 integriert, und Konfigurationen (Hardware und Software) für die Steueroperationen der jeweils zu steuernden Vorrichtungen bilden die Steuereinheiten zum Steuern des Betriebs der jeweiligen zu steuernden Vorrichtungen.
  • Nachfolgend wird ein Betrieb der Brennstoffzellenfahrzeugklimaanlage 1 gemäß dieser Ausführungsform, welche den vorstehenden Aufbau hat, Bezug nehmend auf 3 beschrieben. 3 ist ein Flussschaubild, das einen Steuerprozess zeigt, der durch die Brennstoffzellenfahrzeugklimaanlage 1 gemäß dieser Ausführungsform ausgeführt wird. Der Steuerprozess wird gestartet, wenn der Bedienschalter 91 der Brennstoffzellenfahrzeugklimaanlage 1 eingeschalten (AN) wird.
  • Zunächst wird in Schritt S1 die Temperatur der Brennstoffzelle (nachfolgend als Brennstoffzellentemperatur Tfc bezeichnet) erfasst. Genauer gesagt wird die Kühlwassertemperatur Tw an der Auslassseite der Brennstoffzelle 2 durch den Kühlwassertemperatursensor 56 erfasst. Anschließend wird in Schritt S2 bestimmt, ob die Brennstoffzellentemperatur Tfc, die in Schritt S1 erfasst wurde, niedriger ist als eine vorgegebene Bezugstemperatur Tfc0.
  • Ein optimaler Betriebstemperaturbereich der Brennstoffzelle 2, in welchem die Brennstoffzelle 2 die benötigte Leistungserzeugungskapazität zeigt ist, beschränkt, und außerhalb des optimalen Betriebstemperaturbereichs sinkt die Leistung der Brennstoffzelle 2 deutlich. Um diese Abnahme zu unterdrücken, wird die Bezugstemperatur Tfc0 bestimmt und eine Steuerung ausgeführt um sicherzustellen, dass die Brennstoffzellentemperatur Tfc nicht unter die Bezugstemperatur Tfc0 fällt. Hierbei kann die Bezugstemperatur Tfc0 ein unterer Grenzwert des optimalen Betriebstemperaturbereichs der Brennstoffzelle 2 sein, oder ein höherer Wert als der untere Grenzwert des optimalen Betriebstemperaturbereichs.
  • Wenn in Schritt S2 bestimmt wird, dass die Brennstoffzellentemperatur Tfc unter der Bezugstemperatur Tfc0 liegt, wird bestimmt, dass die Temperatur des Kühlwassers nicht ausreichend hoch ist. Dementsprechend fährt der Prozess mit Schritt S3 fort, in welchem die Brennstoffzelle 2 veranlasst wird, einen Betrieb auszuführen (nachfolgend als Niedrigeffizienzleistungserzeugung bezeichnet), der eine niedrigere Leistungserzeugungseffizienz als ein normaler Betrieb hat, woraufhin der Prozess zu Schritt S1 zurückkehrt. Durch Veranlassen, dass die Brennstoffzelle 2 die Niedrigeffizienzleistungserzeugung ausführt, wird eine von der Brennstoffzelle 2 ausgegebene Wärmemenge erhöht. Als Ergebnis fungiert die Brennstoffzelle 2 als Wärmeerzeugungseinheit, die Wähne zum Heizen des Brennstoffzellenfahrzeugs erzeugt.
  • Genauer gesagt wird ein stöchiometrisches Verhältnis St in der Luft auf einen niedrigeren Wert (St = 1,0 bis 1,2) als während eines normalen Betriebs (St = 1,5 bis 2,0) gesetzt. Hierdurch wird, von der Energie, die aus der Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff gewonnen wird, eine Energiemenge die durch einen Leistungsverlust (d. h. Wärmeverlust) erzeugt wird, aktiv erhöht, wodurch die von der Brennstoffzelle 2 abgegebene Wärmemenge erhöht wird. Durch Erhöhen der von der Brennstoffzelle 2 ausgegebenen Wärmemenge auf diese Weise wird die Temperatur des Kühlwassers, welches die Abwärme der Brennstoffzelle 2 absorbiert, erhöht.
  • Bei einem anderen Verfahren wird die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 2 durch den DC/DC-Wandler 23 herunter-transformiert, während der Ausgangsstrom der Brennstoffzelle 2 beibehalten wird. Dadurch kann die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 2 verringert werden, während eine konstante Kraftstoffverbrauchsmenge beibehalten wird, so dass die Brennstoffzelle 2 veranlasst werden kann, eine Niedrigeffizienzleistungserzeugung auszuführen, wodurch eine Zunahme der von der Brennstoffzelle 2 abgegebenen Wärme verursacht wird.
  • Wenn in Schritt S2 bestimmt wird, dass die Brennstoffzellentemperatur Tfc nicht unter der Bezugstemperatur Tfc0 liegt, wird dagegen bestimmt, dass die Kühlwassertemperatur der Brennstoffzelle 2 ausreichend hoch ist, so dass der Prozess mit Schritt S4 fortfährt. In Schritt S4 wird eine Bezugszeit-Bedarfsheizwärmemenge Qac unter Bezugnahme auf ein Steuerkennfeld berechnet, das in der Steuervorrichtung 8 vorab hinterlegt wurde. Die Bezugszeit-Bedarfsheizwärmemenge Qac ist eine Wärmemenge, die benötigt wird, um ein benötigtes Heizen für eine vorgegebene Bezugszeit T0 auszuführen. Es sei angemerkt, dass der Berechnungsschritt aus Schritt S4 gemäß dieser Ausführungsform als Bezugszeit-Bedarfsheizwärmemenge-Berechnungseinheit fungiert, welche die Wärmemenge berechnet, die benötigt wird, um ein benötigtes Heizen für eine vorgegebene Bezugszeit T0 auszuführen.
  • Genauer gesagt wird bei dem Berechnungsprozess aus Schritt S4 zunächst eine Wärmemenge (nachfolgend als Heizbedarf Qreq bezeichnet), die für das benötigte Heizen benötigt wird, anhand der Außenlufttemperatur Tam, der Innenlufttemperatur Tr, der Sonneneinstrahlungsmenge Ts, der Fahrgastinnenraumsolltemperatur Tset und dergleichen bestimmt. Anschließend wird, wie in 4 gezeigt ist, die Bezugszeit-Bedarfsheizwärmemenge Qac auf Basis der Bezugszeit T0 und des Heizerfordernisses Qreq berechnet. In anderen Worten wird die Bezugszeit-Bedarfsheizwärmemenge Qac durch Bestimmen eines Bereichs eines schraffierten Abschnitts aus 4 berechnet.
  • Anschließend wird, in Schritt S5, eine gespeicherte Wärmemenge (nachfolgend als gespeicherte Brennstoffzellenwärmemenge Qfc bezeichnet) der Brennstoffzelle 2 für jede Brennstoffzellentemperatur berechnet. Hierbei ist die gespeicherte Brennstoffzellenwärmemenge Qfc eine Menge der in der Brennstoffzelle 2 und dem Kühlsystem 500 gespeicherten Wärme. Es sei angemerkt, dass der Berechnungsprozess aus Schritt S5 gemäß dieser Ausführungsform als Speicherwärmemenge-Berechnungseinheit fingiert, welche die in der Brennstoffzelle 2 gespeicherte Wärmemenge berechnet.
  • Genauer gesagt wird bei dem Berechnungsprozess aus Schritt S5 die gespeicherte Brennstoffzellenwärmemenge Qfc anhand der folgenden Gleichung 1 berechnet. Qfc = Qmass × (Tfc – Tfc0) (1)
  • Wobei Qmass eine Wärmekapazität der Brennstoffzelle 2 und des Kühlsystems 500 ist, welche einen vorab experimentell bestimmten Wert annimmt.
  • In Schritt S6 wird dann eine Wärmemenge Qeh, die durch Veranlassen der Brennstoffzelle 2, die Niedrigeffizienzleistungserzeugung auszuführen, erzeugt wird, bei jeder/für jede Brennstoffzellentemperatur berechnet. Genauer gesagt wird Qeh aus der folgenden Formel 2 berechnet. Qeh = Qac – Qfc (2)
  • Hierbei ist Qeh niemals kleiner als 0.
  • In Schritt S7 wird dann eine durchschnittliche Ausgabe (nachfolgend als Niedrigeffizienzleistungserzeugungsdurchschnittsausgabe Peh bezeichnet) während der Bezugszeit T0, wenn die Niedrigleistungserzeugung ausgeführt wird, bei jeder Brennstoffzellentemperatur berechnet. Genauer gesagt wird die Niedrigeffizienzleistungserzeugungsdurchschnittsausgabe Peh auf Basis der Bezugszeit-Bedarfsheizwärmemenge Qac unter Bezugnahme auf ein Kennfeld (siehe 5) berechnet, das vorab in der Steuervorrichtung 8 hinterlegt wird. Es sei angemerkt, dass die Niedrigeffizienzleistungserzeugungsdurchschnittsausgabe Peh gemäß dieser Ausführungsform als eine Heizleistungserzeugungsmenge betrachtet wird, und daher der Berechnungsprozess aus Schritt S7 gemäß dieser Ausführungsform als Heizleistungserzeugungsmenge-Berechnungseinheit fungiert.
  • Anschließend wird in Schritt S8 eine Ausgabe (nachfolgend als Fahrausgabe Pv bezeichnet) der Brennstoffzelle 2, die zum Fahren benötigt wird, berechnet. Genauer gesagt wird die Fahrausgabe Pv auf Basis einer Summe einer Fahrlast und einer Last von anderen Hilfsvorrichtungen als der Klimaanlage berechnet. Es sei angemerkt, dass die Fahrausgabe Pv gemäß dieser Ausführungsform als Fahrleistungserzeugungsmenge betrachtet wird, und daher der Berechnungsprozess aus Schritt S8 gemäß dieser Ausführungsform als Fahrleistungserzeugungsmenge-Berechnungseinheit fungiert.
  • In Schritt S9 wird dann eine Gesamtausgabe (Peh + Pv) der Brennstoffzelle 2 oder, anders ausgedrückt, eine Summe der Niedrigeffizienzleistungserzeugungsdurchschnittsausgabe bzw. -betriebsmodusdurchschnittsausgabe Peh und der Fahrausgabe Pv für jede Brennstoffzellentemperatur berechnet. Als Ergebnis wird ein charakteristisches Kennfeld, das die Beziehung zwischen der Brennstoffzellentemperatur und der Gesamtausgabe der Brennstoffzelle 2 darstellt, wie beispielsweise in 6 gezeigt, erzeugt.
  • In Schritt S10 wird dann eine Temperatur (nachfolgend als Optimaltemperatur Tfcc bezeichnet) der Brennstoffzelle 2, bei welcher die Kraftstoffverbrauchsmenge, die benötigt wird, um die Brennstoffzellengesamtausgabe (Peh + Pv) auszugeben, die in Schritt S9 berechnet wurde, einen Minimalwert erreicht, berechnet. Es sei angemerkt, dass der Berechnungsprozess aus Schritt S10 gemäß dieser Ausführungsform als Optimaltemperatur-Berechnungseinheit fungiert.
  • Genauer gesagt wird bei dem Berechnungsprozess aus Schritt S10 zunächst die Brennstoffzellengesamtausgabe bei jeder Brennstoffzellentemperatur unter Bezugnahme auf das charakteristische Kennfeld (siehe 6), das in Schritt S9 erzeugt wurde, berechnet. Wie beispielsweise in 6 gezeigt ist, ist die Brennstoffzellengesamtausgabe P90, wenn die Brennstoffzellentemperatur 90°C ist, P80, wenn die Brennstoffzellentemperatur 80°C ist und P70, wenn die Brennstoffzellentemperatur 70°C ist.
  • Anschließend wird die Kraftstoffverbrauchsmenge bei jeder Brennstoffzellentemperatur auf Basis der Brennstoffzellengesamtausgabe bei jeder Brennstoffzellentemperatur unter Bezugnahme auf ein Kennfeld (siehe 7) berechnet, das vorab in der Steuervorrichtung 8 hinterlegt wurde. Die berechneten Kraftstoffverbrauchsmengen für die jeweiligen Brennstoffzellentemperaturen werden dann verglichen, und die Brennstoffzellentemperatur, bei welcher die Kraftstoffverbrauchsmenge minimal wird, wird als die Optimaltemperatur Tfcc bestimmt. Bei dieser Ausführungsform erreicht, wie in 7 gezeigt ist, die Kraftstoffverbrauchsmenge einen Minimalwert, wenn die Brennstoffzellentemperatur 80°C ist, so dass die Optimaltemperatur Tfcc hier 80°C ist.
  • Es sei angemerkt, dass in dieser Ausführungsform, zur Vereinfachung der Beschreibung, ein Beispiel beschrieben wurde, bei welchem die Brennstoffzellengesamtausgabe und die Kraftstoffverbrauchsmenge in Brennstoffzellentemperaturintervallen von 10°C berechnet wurden, jedoch die Brennstoffzellengesamtausgabe und die Kraftstoffverbrauchsmenge bei Brennstoffzellentemperaturintervallen von 1°C berechnet werden können.
  • In Schritt S11 wird dann bestimmt, ob die augenblickliche Brennstoffzellentemperatur Tfc die Optimaltemperatur Tfcc, die in Schritt S10 berechnet wurde, übersteigt oder nicht. Wenn in Schritt S11 bestimmt wird, dass die augenblickliche Brennstoffzellentemperatur Tfc die Optimaltemperatur Tfcc übersteigt, fährt der Prozess mit Schritt S12 fort, in welchem die Brennstoffzellentemperatur Tfc auf die Optimaltemperatur Tfcc gekühlt wird, um die Kraftstoffverbrauchsmenge zu verringern. Dann fährt der Prozess mit Schritt S13 fort. Genauer gesagt wird das Dreiwegeventil 54 gesteuert, um einen Kühlwasserstrom in den Radiator 55 zu ermöglichen. Als Ergebnis wird das Kühlwasser durch den Radiator 55 gekühlt, was zu einer Verringerung der Kühlwassertemperatur führt, und zu einer damit einhergehenden Verringerung der Brennstoffzellentemperatur Tfc.
  • In Schritt S13 wird ein Heizen unter Verwendung der Abwärme des Brennstoffzellenkühlwassers ausgeführt, woraufhin der Prozess zu Schritt S1 zurückkehrt. Genauer gesagt wird das Sperrventil 62 geöffnet, so dass das Kühlwasser (Kühlwasser mit der Optimaltemperatur Tfcc) durch die Heizkernzirkulationsströmungsleitung 6 in den Heizkern 61 strömt. Als Ergebnis wird die angeblasene Luft durch die Wärme des Kühlwassers erwärmt und ein Heizen des Fahrgastinnenraums kann realisiert werden. Es sei angemerkt, dass die Prozesse aus Schritt S12 und S13 gleichzeitig ausgeführt werden können.
  • Wenn in Schritt S11 bestimmt wird, dass die augenblickliche Brennstoffzellentemperatur Tfc die Optimaltemperatur Tfcc nicht übersteigt, oder anders ausgedrückt, dass die augenblickliche Brennstoffzellentemperatur Tfc gleich oder niedriger ist als die Optimaltemperatur Tfcc, fährt der Prozess dagegen mit Schritt S14 fort, in welchem bestimmt wird, ob die augenblickliche Brennstoffzellentemperatur Tfc niedriger als eine vorgegebene obere Grenztemperatur Tmax ist.
  • Wie vorstehend beschrieben ist, ist der optimale Betriebstemperaturbereich der Brennstoffzelle 2 beschränkt. Daher wird die obere Grenztemperatur Tmax bestimmt und eine Steuerung ausgeführt, um sicherzustellen, dass die Brennstoffzellentemperatur Tfc die obere Grenztemperatur Tmax nicht übersteigt. Hierbei kann die obere Grenztemperatur Tmax ein oberer Grenzwert des optimalen Betriebstemperaturbereichs der Brennstoffzelle 2 sein, oder ein niedrigerer Wert als der obere Grenzwert des optimalen Betriebstemperaturbereichs.
  • Wenn in Schritt S14 bestimmt wird, dass die augenblickliche Brennstoffzellentemperatur Tfc niedriger als die vorgegebene obere Grenztemperatur Tmax ist, wird bestimmt, dass die Brennstoffzellentemperatur erhöht werden kann. Dementsprechend fährt der Prozess mit Schritt S15 fort, in welchem das Speichern der Kühlwasserabwärme in der Brennstoffzelle 2 und dem Kühlsystem 500 zugelassen wird, woraufhin der Prozess mit Schritt S16 fortfährt. Genauer gesagt wird das Dreiwegeventil 54 angesteuert, um ein Einströmen von Kühlwasser in den Radiator 55 zu unterbinden.
  • Wenn in Schritt S14 bestimmt wird, dass die augenblickliche Brennstoffzellentemperatur Tfc nicht unter der vorgegebenen oberen Grenztemperatur Tmax liegt, wird dagegen bestimmt, dass die Brennstoffzellentemperatur nicht erhöht werden kann und daher fährt der Prozess mit Schritt S16 fort.
  • In Schritt S16 wird unter Verwendung der Abwärme des Brennstoffzellenkühlwassers geheizt, woraufhin der Prozess zu Schritt S1 zurückkehrt. Genauer gesagt wird das Sperrventil 62 geöffnet, so dass das Kühlwasser (Kühlwasser mit der Brennstoffzellentemperatur Tfc) durch die Heizkemzirkulationsströmungsleitung 6 in den Heizkern 61 strömt. Als Ergebnis kann die angeblasene Luft durch die Wärme des Kühlwassers erwärmt werden und ein Heizen kann realisiert werden.
  • Durch Ausführen des vorstehend beschriebenen Betriebes zeigt die Klimaanlage 1 für das Brennstoffzellenfahrzeug gemäß dieser Ausführungsform die nachfolgend beschriebenen Effekte.
  • Zunächst wird die Optimaltemperatur Tfcc wie in Steuerschritt S10 beschrieben berechnet. Hierbei ist die Optimaltemperatur Tfcc eine Brennstoffzellentemperatur, bei welcher die Kraftstoffverbrauchsmenge, die von der Brennstoffzelle 2 benötigt wird, um die Brennstoffzellengesamtleistung (Peh + Pv), welche die Summe der Niedrigeffizienzleistungserzeugungsdurchschnittsausgabe Peh und der Fahrausgabe Pv ist, auszugeben (zu erzeugen), einen Minimalwert erreicht.
  • Dann wird das Kühlsystem 500 gekühlt, so dass die Brennstoffzellentemperatur die Optimaltemperatur Tfcc erreicht. Genauer gesagt wird, wie in den Steuerschritten S11 und S12 beschrieben, wenn die Brennstoffzellen Tfc die Optimaltemperatur Tfcc übersteigt, die Brennstoffzellentemperatur Tfc auf die Optimaltemperatur Tfcc gekühlt. Wie dagegen in den Steuerschritten S11, S14 und S15 beschrieben wird, wird, wenn die Brennstoffzellentemperatur Tfc gleich oder niedriger ist als die Optimaltemperatur Tfcc und auch niedriger ist als die obere Grenztemperatur Tmax, die Abwärme der Brennstoffzelle 2 in der Brennstoffzelle 2 gespeichert.
  • Somit kann die Kraftstoffverbrauchsmenge verringert werden und eine Verschlechterung der Fahrzeugkraftstoffeffizienz kann unterdrückt werden. Ferner wird die in 3 gezeigte Steuerung nicht nur ausgeführt, wenn das Fahrzeug einen Leerlaufstopp ausführt, sondern auch während des Normalbetriebs, so dass ein Heizen im Brennstoffzellenfahrzeug während des Normalbetriebs ausgeführt werden kann. Als Ergebnis kann das Brennstoffzellenfahrzeug während des normalen Betriebs geheizt werden, während eine Verschlechterung der Fahrzeugkraftstoffeffizienz unterdrückt werden kann.
  • Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform begrenzt und es können, wie nachfolgend dargestellt, verschiedene Änderungen durchgeführt werden, die im Umfang liegen und nicht vom Konzept der Erfindung abweichen.
  • Bei dem in der vorstehenden Ausführungsform beschriebenen Beispiel wird die Brennstoffzelle 2 als Wärmeerzeugungseinheit verwendet, und die Wärme zum Wärmen bzw. Heizen des Brennstoffzellenfahrzeugs wird erzeugt, indem die Brennstoffzelle 2 veranlasst wird, die Niedrigeffizienzleistungserzeugung auszuführen, um die von der Brennstoffzelle 2 abgegebene Wärmemenge zu erhöhen. Gleichwohl ist die Wärmeerzeugungseinheit hierauf nicht beschränkt.
  • Beispielsweise kann ein elektrisches Heizgerät, wie beispielsweise ein Heizgerät mit einem positiven Temperaturkoeffizienten (PTC), oder ein Verbrennungsheizgerät, das Wärme durch Verbrennen von Kraftstoff (Wasserstoffgas) erzeugt, als Wärmeerzeugungseinheit verwendet werden.
  • Bei dem in der vorstehenden Ausführungsform beschriebenen Beispiel wird das elektrische Dreiwegeventil 54 als Schalteinheit zum Schalten zwischen der Kühlwasserzirkulationsströmungsleitung 51 und der Bypassströmungsleitung 52 verwendet. Gleichwohl ist die Schalteinheit hierauf nicht beschränkt und stattdessen kann ein Thermostat-Ventil verwendet werden. Ein Thermostat-Ventil ist ein auf die Kühlwassertemperatur ansprechendes Ventil, das durch einen mechanischen Mechanismus gebildet wird, der eine Kühlwasserleitung öffnet und schließt, wenn ein Ventilkörper desselben durch ein thermisches Wachs verlagert wird (ein temperaturempfindliches Element), dessen Volumen ansprechend auf eine Temperaturvariation variiert.

Claims (9)

  1. Klimaanlage für ein Brennstoffzellenfahrzeug, aufweisend: eine Brennstoffzelle, die Leistung vermittels einer elektrochemischen Reaktion zwischen einem Oxidationsgas und einem Brenngas erzeugt; ein Kühlsystem, das eine Temperatur der Brennstoffzelle einstellt; eine Abwärmesammeleinheit, die zumindest einen Teil der Abwärme der Brennstoffzelle über das Kühlsystem sammelt und die gesammelte Abwärme dazu nutzt, um einen Fahrgastraum des Brennstoffzellenfahrzeugs zu heizen; eine Wärmeerzeugungseinheit, die Wärme zum Heizen des Brennstoffzellenfahrzeugs erzeugt; und eine Steuervorrichtung, aufweisend: eine Speicherwärmemenge-Berechnungseinheit, die ausgestaltet ist, um eine in der Brennstoffzelle gespeicherte Wärmemenge zu berechnen; eine Bezugszeit-Bedarfsheizwärmemenge-Berechnungseinheit, die ausgestaltet ist, um eine Bedarfsheizwärmemenge zu berechnen, die eine Wärmemenge darstellt, die benötigt wird, um ein benötigtes Heizen für eine vorgegebene Bezugszeit auszuführen; eine Heizleistungserzeugungsmenge-Berechnungseinheit, die ausgestaltet ist, um, auf Basis der Bedarfsheizwärmemenge und der in der Brennstoffzelle gespeicherten Wärmemenge, eine Heizleistungserzeugungsmenge zu berechnen, die einen Betrag der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle darstellt, der für das Heizen benötigt wird, das von der Wärmeerzeugungseinheit ausgeführt werden soll; eine Fahrleistungserzeugungsmenge-Berechnungseinheit, die ausgestaltet ist, um eine Fahrleistungserzeugungsmenge zu berechnen, die einen Betrag der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle darstellt, der für das Fahren des Brennstoffzellenfahrzeugs benötigt wird; eine Optimaltemperatur-Berechnungseinheit, die ausgestaltet ist, um eine Kraftstoffverbrauchsmenge zu berechnen, die von der Brennstoffzelle benötigt wird, um eine Gesamtleistungserzeugungsmenge zu erzeugen, welche die Summe der Heizleistungserzeugungsmenge und der Fahrleistungserzeugungsmenge ist, und um eine Optimaltemperatur zu berechnen, die eine Temperatur der Brennstoffzelle darstellt, bei welcher die Kraftstoffverbrauchsmenge minimal wird; und eine Steuereinheit, die ausgestaltet ist, um das Kühlsystem derart zu steuern, dass die Temperatur der Brennstoffzelle die Optimaltemperatur erreicht.
  2. Klimaanlage für ein Brennstoffzellenfahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit ausgestaltet ist, um, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle die Optimaltemperatur übersteigt, eine Steuerung auszuführen, um die Temperatur der Brennstoffzelle auf die Optimaltemperatur zu senken.
  3. Klimaanlage für ein Brennstoffzellenfahrzeug nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit ausgestaltet ist, um, wenn die Temperatur der Brennstoffzelle unter der Optimaltemperatur liegt, eine Steuerung auszuführen, um die Abwärme der Brennstoffzelle in der Brennstoffzelle zu speichern.
  4. Klimaanlage für ein Brennstoffzellenfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Wärmeerzeugungseinheit eine von der Brennstoffzelle ausgegebene Wärmemenge erhöht, indem sie die Leistungserzeugungseffizienz der Brennstoffzelle unter die bei Normalbetrieb senkt.
  5. Klimaanlage für ein Brennstoffzellenfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Wärmeerzeugungseinheit ein elektrisches Heizgerät ist.
  6. Klimaanlage für ein Brennstoffzellenfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Wärmeerzeugungseinheit ein Verbrennungsheizgerät ist, das Wärme durch Verbrennen eines Kraftstoffs erzeugt.
  7. Klimaanlage für ein Brennstoffzellenfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Bedarfsheizwärmemenge-Berechnungseinheit derart ausgestaltet ist, um die Bedarfsheizwärmemenge auf Basis von zumindest einer Solltemperatur des Fahrgastraums, die durch einen Fahrgast eingestellt wird, einer Temperatur außerhalb des Fahrgastraums, die eine Temperatur darstellt, die außerhalb des Fahrgastraums herrscht, einer Temperatur innerhalb des Fahrgastraums, die eine Temperatur darstellt, die innerhalb des Fahrgastraums herrscht, und/oder einer Sonneneinstrahlungsmenge, die in den Fahrgastraum gelangt, zu berechnen.
  8. Klimaanlage für ein Brennstoffzellenfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Speicherwärmemenge-Berechnungseinheit derart ausgestaltet ist, um die Menge der in der Brennstoffzelle gespeicherten Wärme auf Basis von zumindest der Temperatur der Brennstoffzelle, einer Wärmekapazität des Kühlsystems und/oder einer Temperatur, bei oder über welcher die Brennstoffzelle eine vorgegebene Leistungserzeugungskapazität zeigt, zu berechnen.
  9. Steuerverfahren für eine Klimaanlage für ein Brennstoffzellenfahrzeug, das eine Brennstoffzelle hat, die Leistung vermittels einer elektrochemischen Reaktion zwischen einem Oxidationsgas und einem Brenngas erzeugt, ein Kühlsystem, das eine Temperatur der Brennstoffzelle einstellt, eine Abwärmesammeleinheit, die zumindest einen Teil der Abwärme der Brennstoffzelle über das Kühlsystem sammelt und die gesammelte Abwärme dazu nutzt, um einen Fahrgastraum eines Brennstoffzellenfahrzeugs zu heizen, und eine Wärmeerzeugungseinheit, die Wärme zum Heizen des Brennstoffzellenfahrzeugs erzeugt; das Steuerverfahren weist auf: Berechnen einer in der Brennstoffzelle gespeicherten Wärmemenge; Berechnen einer Bedarfsheizwärmemenge, die eine Wärmemenge darstellt, die benötigt wird, um ein benötigtes Heizen für eine vorgegebene Bezugszeit auszuführen; Berechnen einer Heizleistungserzeugungsmenge, die einen Betrag der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle darstellt, der für das Heizen benötigt wird, das von der Wärmeerzeugungseinheit ausgeführt werden soll, auf Basis der Bedarfsheizwärmemenge und der in der Brennstoffzelle gespeicherten Wärmemenge; Berechnen einer Fahrleistungserzeugungsmenge, die einen Betrag der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle darstellt, der für das Fahren des Brennstoffzellenfahrzeugs benötigt wird; Berechnen einer Kraftstoffverbrauchsmenge, die von der Brennstoffzelle benötigt wird, um eine Gesamtleistungserzeugungsmenge zu erzeugen, welche die Summe der Heizleistungserzeugungsmenge und der Fahrleistungserzeugungsmenge ist, und Berechnen einer Optimaltemperatur, die eine Temperatur der Brennstoffzelle darstellt, bei welcher die Kraftstoffverbrauchsmenge minimal wird; und Steuern des Kühlsystems derart, dass die Temperatur der Brennstoffzelle die Optimaltemperatur erreicht.
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