DE112014005128B4

DE112014005128B4 - Lastantriebsbrennstoffzellensystem mit zwei Leistungsversorgungen

Info

Publication number: DE112014005128B4
Application number: DE112014005128.4T
Authority: DE
Inventors: Shuichi Kazuno
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2013-11-08
Filing date: 2014-10-07
Publication date: 2024-05-08
Anticipated expiration: 2034-10-08
Also published as: CN105706284B; JP6166379B2; DE112014005128T5; JPWO2015068514A1; WO2015068514A1; US10661665B2; US20160272086A1; CN105706284A

Abstract

System aufweisend ein Lastantriebsbrennstoffzellensystem (12) und eine Last (30), wobei das Lastantriebsbrennstoffzellensystem (12) dazu ausgestaltet ist, dass die Last (30) von einer Brennstoffzelle (40) und einer elektrischen Speichervorrichtung (20) angetrieben wird, wobei das Lastantriebsbrennstoffzellensystem aufweist:• eine erste Leistungsumwandlungsvorrichtung (21) aufweisend eine Primärseite und eine Sekundärseite, wobei die Primärseite der ersten Leistungsumwandlungsvorrichtung (21) mit Ausgangsanschlüssen der Brennstoffzelle (40) verbunden ist und die Sekundärseite der ersten Leistungsumwandlungsvorrichtung (21) mit der Last (30) verbunden ist;• eine zweite Leistungsumwandlungsvorrichtung (22) aufweisend eine Primärseite und eine Sekundärseite, wobei die Primärseite der zweiten Leistungsumwandlungsvorrichtung (22) mit Anschlüssen der elektrischen Speichervorrichtung (20) verbunden ist und die Sekundärseite der zweiten Leistungsumwandlungsvorrichtung (22) mit der Sekundärseite der ersten Leistungsumwandlungsvorrichtung (21) verbunden ist;• die Brennstoffzelle (40) und die elektrische Speichervorrichtung (20);• wobei:die erste Leistungsumwandlungsvorrichtung (21) durch ein Schaltelement (32) gebildet wird, das einen Siliziumkarbid-Feldeffekttransistor, SiC-FET, umfasst,die zweite Leistungswandlungsvorrichtung (22) durch ein Schaltelement (41, 42, 43, 44) gebildet wird, das aus einem Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode, IGBT, besteht;• wobei das Lastantriebsbrennstoffzellensystem derart ausgestaltet ist, dass: ein maximaler Stromwert, Imax, der Brennstoffzelle (40) höher als ein maximaler Stromwert, Imax, der elektrischen Speichervorrichtung (20) ist;ein Spannungswert, Vbzm, der Brennstoffzelle (40) in einer vorgegebenen Antriebsbetriebsart niedriger als ein Spannungswert, Vbm, der elektrischen Speichervorrichtung (20) ist, und ein mittlerer Leistungsdurchflusswert, Pbmittel, der zweiten Leistungsumwandlungsvorrichtung (22) höher als ein mittlerer Leistungsdurchflusswert, Pbzmittel, der ersten Leistungsumwandlungsvorrichtung (21) ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System aufweisend ein Lastantriebsbrennstoffzellensystem und eine Last, wobei das Lastantriebsbrennstoffzellensystem dazu ausgestaltet ist, dass die Last von einer Brennstoffzelle und einer elektrischen Speichervorrichtung angetrieben wird, und betrifft zum Beispiel ein System, das auf ein Brennstoffzellenfahrzeug angewendet wird, in dem die Last ein Motor zum Zweck des Fahrzeugfahrens ist.
Hintergrundtechnik
Bisher ist, wie in 1 der JP 2006 - 351 421 A gezeigt, eine Leistungsversorgungsschaltung bekannt, in der Spannungsverstärker (eine erste Strom-/Spannungssteuervorrichtung und eine zweite Strom-/Spannungssteuervorrichtung, die aus Chopper-Gleichstrom-/Gleichstrom-Wandlern bestehen) jeweils an den Ausgangsanschlüssen einer Brennstoffzelle und an den Anschlüssen (Eingangs-/Ausgangsanschlüsse) einer elektrischen Speichervorrichtung angeordnet sind.
Da unter Verwendung der Leistungsversorgungsschaltung, die in der vorangehenden Weise konfiguriert ist, die Spannung (angelegte Spannung), die von der Brennstoffzelle und der elektrischen Speichervorrichtung an die Last angelegt wird, durch die Spannungsverstärker frei eingestellt werden kann, gibt es einen Vorteil in der Hinsicht, dass eine kombinierte Ausgangsleistung der Brennstoffzelle und der elektrischen Speichervorrichtung geeignet dazu gebracht werden kann, einer geforderten Leistung der Last eines Systems, in dem ein Brennstoffzellensystem montiert ist, zum Beispiel eines Systems, in dem Lastschwankungen stark sind, wie etwa einem Brennstoffzellenfahrzeug, zu entsprechen.
Gemäß der vorstehend beschriebenen Leistungsversorgungsschaltung kann die Anzahl von Zellen der Brennstoffzelle verringert werden, und es ist möglich, dass die Brennstoffzelle mit kleinerem Volumen hergestellt wird, und eine Verringerung der Kosten zu realisieren, da der Spannungsverstärker an den Ausgangsanschlüssen der Brennstoffzelle verwendet wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Jedoch tritt bei dem in JP 2006 - 351 421 A offenbarten Brennstoffzellensystem ein Problem auf, dass der Leistungswirkungsgrad aufgrund von Verlusten in den Spannungsverstärkern im Vergleich zu einem Fall, in dem derartige Spannungsverstärker nicht eingreifen, verschlechtert wird, da die Leistung, die von beiden Leistungsversorgungen (der Brennstoffzelle und der elektrischen Speichervorrichtung) an die Last geliefert wird, notwendigerweise die Spannungsverstärker durchlaufen muss.
US 2011 / 0 1 90 959 A1 offenbart ein Brennstoffzellensystem, umfassend: eine Brennstoffzelle und einen Akkumulator, die parallel zu einer Last geschaltet sind; einen Wechselrichter, der mit der Last verbunden ist; eine erste Spannungswandlereinheit, die zwischen der Brennstoffzelle und dem Wechselrichter vorgesehen ist, um die Klemmenspannung der Brennstoffzelle zu steuern; eine zweite Spannungswandlereinheit, die zwischen dem Akkumulator und dem Wechselrichter vorgesehen ist, um die Eingangsspannung des Wechselrichters zu steuern und eine Steuereinrichtung zum Steuern der Operationen der jeweiligen Spannungsumwandlungseinheiten, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Fall, in dem die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle erhöht wird, die Steuereinrichtung die Operation der zweiten Spannungsumwandlungseinheit so steuert, dass die Eingangsspannung des Wechselrichters eine eingestellte Bedarfsspannung erreicht, und dann die Operation der ersten Spannungsumwandlungseinheit so steuert, dass die Klemmenspannung der Brennstoffzelle eine Ausgangsbedarfsspannung wird, die der Ausgangsleistung entspricht.
Aus EP 1 037 369 A2 ist ein elektrisches Energieerzeugungssystem bekannt, das eine Zelle, wie z.B. eine Brennstoffzelle, zur Ausgabe von Gleichstromleistung und eine Umwandlungsvorrichtung umfasst, die mindestens entweder einen Wechselrichter zur Umwandlung der Gleichstromleistung in Wechselstromleistung oder einen Konverter zur Änderung eines Spannungspegels der Gleichstromleistung aufweist. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf den Stand der Technik zur Verbesserung der Energieeffizienz eines solchen Stromerzeugungssystems.
Aus US 2012 / 008 627 8 A1 ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, das umfasst: eine Brennstoffzelle, die Brenngas und Oxidationsgas aufnimmt und durch elektrochemische Reaktion des Brenngases und des Oxidationsgases elektrischen Strom erzeugt; einen Speicherabschnitt, der mit dem in der Brennstoffzelle erzeugten elektrischen Strom geladen werden kann; eine elektrische Stromverbrauchsvorrichtung, die elektrischen Strom von der Brennstoffzelle und dem Speicherabschnitt verbraucht; einen ersten Spannungswandler, der zwischen der Brennstoffzelle und der elektrischen Stromverbrauchsvorrichtung angeordnet ist; einen zweiten Spannungswandler, der zwischen dem Speicherabschnitt und der elektrischen Energieverbrauchsvorrichtung angeordnet ist; einen Verbinder, der einen Pfad verbindet oder trennt, wobei der Pfad elektrische Energie von dem ersten Spannungswandler zu der elektrischen Energieverbrauchsvorrichtung liefert und den ersten Spannungswandler und den zweiten Spannungswandler koppelt; und eine Steuereinrichtung, die die Verbindung oder Trennung des Pfades, der elektrische Energie liefert, durch den Verbinder steuert. Die vorliegende Erfindung wurde unter Berücksichtigung der vorstehend erwähnten Probleme konzipiert und hat die Aufgabe, ein System aufweisend ein Lastantriebsbrennstoffzellensystem und eine Last bereitzustellen, in dem ein Spannungsverstärker an den Ausgangsanschlüssen der Brennstoffzelle angeordnet ist und eine Spannungsaufwärts-/Abwärtsstelleinheit an den Anschlüssen einer elektrischen Speichervorrichtung angeordnet ist, und wobei die Haltbarkeit der Brennstoffzelle und der Leistungswirkungsgrad des Systems verbessert werden können.
Diese Aufgabe wird gelöst gemäß dem System nach beigefügtem Anspruch 1. Die abhängigen Ansprüche bilden dieses System vorteilhaft weiter.
Da gemäß der vorliegenden Erfindung die erste Leistungsumwandlungsvorrichtung an den Ausgangsanschlüssen der Brennstoffzelle verwendet wird, kann die Anzahl von Zellen der Brennstoffzelle verringert werden, und es ist möglich, zusammen mit der Ermöglichung, die Spannung und den Strom des SiC-FET präzise zu steuern, ein System mit kleiner Kapazität und einer Kostenverringerung zu realisieren. Da ferner Schaltverluste mit dem SiC-FET im Vergleich zu einem IGBT verringert werden, kann die Leistung von der Brennstoffzelle effizient an die Last geliefert werden.
Da außerdem der IGBT, der mit Vergleich zu einem SiC-FET zuverlässiger ist, in der zweiten Leistungsumwandlungsvorrichtung angeordnet ist, die an den Anschlüssen der elektrischen Speichervorrichtung angeordnet ist, kann im Vergleich zu der ersten Leistungsumwandlungsvorrichtung stabil eine größere Durchflussleistung von der elektrischen Speichervorrichtung durch die zweite Leistungsumwandlungsvorrichtung an die Last geliefert werden.
Insbesondere kann ein System aufgebaut werden, in dem die jeweiligen Charakteristiken des Schaltelements (SiC-FET) der ersten Leistungsumwandlungsvorrichtung und des Schaltelements (IGBT) der zweiten Leistungsumwandlungsvorrichtung ausgenutzt werden.
In diesem Fall wird in der Brennstoffzelle vorzugsweise eine untere Leistungsgrenze festgelegt, so dass, wenn eine geforderte Leistung der Last kleiner oder gleich der unteren Leistungsgrenze ist, eine erzeugte Leistung der Brennstoffzelle die untere Leistungsgrenze ist, und ansprechend auf eine Schwankung in der geforderten Leistung der Last eine Ladeleistung in die elektrische Speichervorrichtung geändert wird, während in einem Fall, in dem, in dem die geforderte Leistung der Last die untere Leistungsgrenze überschreitet, die erste Leistungsumwandlungsvorrichtung derart gesteuert wird, dass die erzeugte Leistung der Brennstoffzelle mit der Schwankung in der geforderten Leistung der Last verknüpft wird.
Wenn auf diese Weise die geforderte Leistung der Last kleiner oder gleich der unteren Leistungsgrenze der Brennstoffzelle ist, kann die Brennstoffzelle regelmäßig entsprechend einer festen Last Leistung an der unteren Leistungsgrenze erzeugen, während zur Zeit einer höheren Leistungsausgabe elektrische Leistung von der hochansprechenden ersten Leistungsumwandlungsvorrichtung aus der Brennstoffzelle entnommen werden kann. Folglich kann ein System aufgebaut werden, das eine hohe Haltbarkeit der Brennstoffzelle hat und hochansprechend auf Schwankungen der geforderten Leistung der Last ist.
Die untere Leistungsgrenze der Brennstoffzelle wird vorzugsweise auf einen Wert festgelegt, der kleiner oder gleich dem mittleren Durchflussleistungswert der zweiten Leistungsumwandlungsvorrichtung ist. Wenn sie in dieser Weise gehandhabt wird, kann eine Verschlechterung der Brennstoffzelle verhindert werden und es kann ein sehr haltbares Brennstoffzellensystem aufgebaut werden, da der Stopp von Leistung von der Brennstoffzelle durch übermäßiges Laden der elektrischen Speichervorrichtung unterdrückt wird.
In diesem Fall wird die erste Leistungsumwandlungsvorrichtung vorzugsweise durch ein Schaltelement gebildet, das neben dem SiC-FET einen IGBT umfasst und derart gesteuert wird, dass, wenn die Last eine niedrige Last ist, nur das SiC-FET-Schaltelement in einen Betriebszustand versetzt wird, und wenn die Last eine hohe Last ist, sowohl das SiC-FET-Schaltelement als auch das IGBT-Schaltelement in einen Betriebszustand versetzt werden.
Wenn überdies die Last eine niedrige Last ist, werden in einem Fall, in dem die Temperatur des SiC-FET-Schaltelements größer oder gleich einer Schwellwerttemperatur ist, sowohl das SiC-FET-Schaltelement als auch das IGBT-Schaltelement derart gesteuert, dass sie in einen Betriebszustand versetzt werden. Somit ist es möglich, einen Temperaturanstieg des SiC-Schaltelements zu unterdrücken.
Die vorgegebene Antriebsbetriebsart kann ein Antriebsmuster für die Abgasmessung sein.
Da gemäß der vorliegenden Erfindung die erste Leistungsumwandlungsvorrichtung an den Ausgangsanschlüssen der Brennstoffzelle verwendet wird, kann die Anzahl von Zellen der Brennstoffzelle verringert werden, und es ist möglich, ein System mit kleiner Kapazität und einer Verringerung der Kosten zu realisieren. Zusammen damit können die Spannung und der Strom basierend auf dem Hochgeschwindigkeitsbetrieb des SiC-FET, selbst wenn es Schwankungen (Lastschwankungen) in der Lastanschlussspannung gibt, präzise gesteuert werden. Da ferner Schaltverluste mit dem SiC-FET im Vergleich zu einem IGBT verringert werden, kann Leistung von der Brennstoffzelle sehr effizient an die Last geliefert werden.
Da außerdem der IGBT, der im Vergleich zu einem SiC-FET eine höhere Zuverlässigkeit hat, in der zweiten Leistungsumwandlungsvorrichtung eingerichtet ist, die an den Anschlüssen der elektrischen Speichervorrichtung angeordnet ist, kann im Vergleich zu der ersten Leistungsumwandlungsvorrichtung, die an den Ausgangsanschlüssen der Brennstoffzelle angeordnet ist, stabil eine höhere Durchflussleistung an die Last geliefert werden.
Insbesondere wird ein Vorteil in der Hinsicht erreicht, dass ein System aufgebaut werden kann, in dem die jeweiligen Charakteristiken des Schaltelements (SiC-FET) der ersten Leistungsumwandlungsvorrichtung, die an den Ausgangsanschlüssen der Brennstoffzelle angeordnet ist, und des Schaltelements (IGBT) der zweiten Leistungsumwandlungsvorrichtung, die an den Anschlüssen der elektrischen Speichervorrichtung angeordnet ist, ausgenutzt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 ist eine Skizze einer schematischen Gesamtansicht eines Brennstoffzellenfahrzeugs, auf welches das Lastantriebsbrennstoffzellensystem mit zwei Leistungsversorgungen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewendet wird;
2 ist ein Charakteristikdiagramm der Frequenz und Leistung von Leistungsvorrichtungen (SiC-FET und IGBT);
3 ist ein Spezifikationsvergleichsdiagramm einer Brennstoffzelle und einer Hochspannungsbatterie;
4 ist ein Strom- und Spannungscharakteristikdiagramm in einem Zustand, in dem die Brennstoffzelle und die Hochspannungsbatterie tatsächlich in Verwendung sind;
5 ist ein Zeitdiagramm zu Zeiten von Antriebsarten, das verwendet wird, um eine Beschreibung von Betrieben der Ausführungsform (im Vergleich zu der verwendeten mittleren Leistung) bereitzustellen;
6 ist eine Skizze einer schematischen Gesamtansicht eines Brennstoffzellenfahrzeugs, auf welches das Lastantriebsbrennstoffzellensystem mit zwei Leistungsversorgungen gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewendet wird;
7 ist ein Flussdiagramm, das verwendet wird, um eine Beschreibung von Betrieben eines Lastantriebsbrennstoffzellensystems mit zwei Leistungsversorgungen gemäß der anderen Ausführungsform zu geben;
8 ist ein Zeitdiagramm (zu einer Zeit eines Temperaturanstiegs von Schaltelementen), das verwendet wird, um eine Beschreibung von Betrieben des Lastantriebsbrennstoffzellensystems mit zwei Leistungsversorgungen gemäß der anderen Ausführungsform bereitzustellen; und
9 ist ein Zeitdiagramm (zu einer Zeit ohne Temperaturanstieg der Schaltelemente), das verwendet wird, um eine Beschreibung von Betrieben des Lastantriebsbrennstoffzellensystems mit zwei Leistungsversorgungen gemäß der anderen Ausführungsform bereitzustellen.

Beschreibung von Ausführungsformen
Nun wird bezüglich eines Lastantriebsbrennstoffzellensystems mit zwei Leistungsversorgungen gemäß der vorliegenden Erfindung eine bevorzugte Ausführungsform in Bezug auf ein Brennstoffzellenfahrzeug, auf welches das Lastantriebsbrennstoffzellensystem mit zwei Leistungsversorgungen gemäß der vorliegenden Ausführungsform angewendet wird, unter Bezug auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben.
1 ist eine Skizze einer schematischen Gesamtansicht eines Brennstoffzellenfahrzeugs 10 (auf das hier nachstehend als ein „BZ-Fahrzeug 10“ oder ein „Fahrzeug 10“ Bezug genommen wird), auf welches ein Brennstoffzellensystem 12 (auf das hier nachstehend als ein „BZ-System 12“ Bezug genommen wird) als ein Lastantriebsbrennstoffzellensystem mit zwei Leistungsversorgungen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewendet wird.
Das BZ-Fahrzeug 10 umfasst das BZ-System 12, einen Antriebsmotor 14 (auf den hier nachstehend als „Motor 14“ Bezug genommen wird), der ein Traktionsmotor ist, der zum Betreiben des Fahrzeugs verwendet wird, und eine Lastantriebsschaltung 16 (auf die hier nachstehend als INV 16 Bezug genommen wird, wobei INV einen Inverter impliziert).
Insbesondere umfasst das BZ-System 12 eine Brennstoffzelleneinheit 18 (auf die hier nachstehend als eine „BZ-Einheit 18“ Bezug genommen wird), die auf einer Primärseite 1 Sf eingerichtet ist, eine Hochspannungsbatterie 20 (auf die hier nachstehend als eine „BAT 20“ Bezug genommen wird) (elektrische Speichervorrichtung), die auf einer anderen Primärseite 1Sb eingerichtet ist, einen Chopper-Spannungsverstärkungs-(Aufwärts-) Wandler (Spannungsverstärker) 21 (auf den hier nachstehend als eine BZVCU 21 Bezug genommen wird, wobei VCU eine Spannungssteuereinheit impliziert) als eine erste Leistungsumwandlungsvorrichtung, die zwischen der Primärseite 1Sf und einer Sekundärseite 2S angeordnet ist, einen Chopper-Aufwärts-/Abwärtswandler 22 (auf den hier nachstehend als eine BATVCU 22 Bezug genommen wird) als eine zweite Leistungsumwandlungsvorrichtung, die zwischen der Primärseite 1Sb und der Sekundärseite 2S angeordnet ist, und eine elektronische Steuervorrichtung 24 (auf die hier nachstehend als ein ESG 24 Bezug genommen wird, wobei ESG ein elektronisches Steuergerät impliziert).
Der Motor 14 erzeugt basierend auf der kombinierten Leistung, die von der BZ-Einheit 18 und der BAT 20 geliefert wird, eine Antriebsleistung. Fahrzeugräder 28 werden durch ein Getriebe 26 durch die Antriebsleistung gedreht.
Der INV 16 ist als ein 3-Phasen-Brückentyp aufgebaut und führt die Gleichstrom-/Wechselstromumwandlung aus. Die Lastanschlussspannung Vinv [V], die eine Gleichspannung von einer FC 40 und/oder der BAT 20 ist, die durch die BZVCU 21 und/oder die BATVCU 22 verstärkt wird, wird in eine 3-Phasenwechselstromspannung umgewandelt und an den Motor 14 geliefert. Andererseits wird die Lastanschlussspannung Vinv nach deren Wechselspannungs-/Gleichspannungsumwandlung, die einen Rückgewinnungsbetrieb des Motors 14 begleitet, durch die BATVCU 22 an die BAT 20 geliefert (um das Laden auszufiihren).
Die BZ-Einheit 18 weist, wie weithin bekannt ist, neben der FC 40 einen (nicht gezeigten) Wasserstofftank, an den in Bezug auf (nicht gezeigte) Anodenflussfelder der FC 40 Wasserstoffgas (Brennstoffgas) geliefert wird, eine (nicht gezeigte) Luftpumpe, an die in Bezug auf (nicht gezeigte) Kathodenflussfelder der FC 40 Luft (ein sauerstoffenthaltendes Gas), die Sauerstoff enthält, geliefert wird, und eine (nicht gezeigte) Wasserpumpe, an die in Bezug auf Kühlmittelflussfelder der FC 40 ein Kühlmedium (Kühlmittel) geliefert wird, auf.
Die FC 40 umfasst zum Beispiel eine gestapelte Struktur, in der Zellen der Brennstoffzelle (aufdie hier nachstehend als „BZ-Zellen“ Bezug genommen wird) gestapelt sind, wobei jede von ihnen durch Einschieben einer Elektrolytmembran zwischen einer Anode und einer Kathode auf beiden Seiten ausgebildet wird. Ein wasserstoffenthaltendes Gas, das durch die Anodenflussfelder an die Anoden geliefert wird, wird auf einem Elektrodenkatalysator einer Wasserstoffionisierung unterzogen und bewegt sich durch die Elektrolytmembran zu den Kathoden. Elektronen, die während einer derartigen Bewegung erzeugt werden, werden zu einer externen Schaltung entfernt und werden als elektrische Energie verwendet, die eine Gleichspannung Vbz (auf die hier nachstehend als eine Brennstoffzellen-erzeugte Spannung Vbz Bezug genommen wird) erzeugt. Da das sauerstoffenthaltende Gas durch das Kathodenflussfeld an jede der Kathoden geliefert wird, wird an den Kathoden durch Reaktionen zwischen den Wasserstoffionen, den Elektronen und Sauerstoffgas Wasser erzeugt.
Durch die Herstellung von Wasser kann ein befeuchteter Zustand der Elektrolytmembran, insbesondere ein Zustand, in dem die Membranfeuchtigkeit hoch ist, aufrecht erhalten werden. Folglich können die Reaktionen reibungslos ausgeführt werden.
Elektrische Leistung von der FC 40 (auf die hier nachstehend als BZ-erzeugte Leistung Pbz Bezug genommen wird, Pbz = Vbz x Ibz, wobei Ibz einen BZ-erzeugten Strom impliziert) wird durch den INV 16 an den Motor 14 (in der Leistungslaufzeit geliefert), wobei die BZ-erzeugte Spannung Vbz durch die BZVCU 21 spannungsverstärkt wird. Einhergehend damit wird ansprechend auf den Leistungszustand des BZ-Systems 12 die BZ-erzeugte Spannung Vbz von der FC 40 durch die BZVCU 21 und die BATVCU 22 an die BAT 20 zu deren Laden geliefert.
Andererseits wird Leistung von der BAT 20 (auf die hier nachstehend als BAT-Leistung Pbat Bezug genommen wird) durch den INV 16 (in der Leistungslaufzeit) an den Motor 14 geliefert, wobei die Batteriespannung Vb durch die BATVCU 22 spannungsverstärkt wird.
Die BAT 20 ist eine elektrische Speichervorrichtung (Energiespeicher), die mehrere Batteriezellen umfasst und zum Beispiel eine Lithiumionen-Sekundärbatterie, eine Nickel-Wasserstoff-Sekundärbatterie oder einen Kondensator oder ähnliches nutzen kann. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird eine Lithiumionen-Sekundärbatterie verwendet.
Auf den Motor 14 und den INV 16 in Kombination wird als eine Last 30 Bezug genommen. In der Praxis sind in der Last 30 neben dem Motor 14 etc. jeweilige Hilfslasten, wie etwa eine Luftpumpe und eine Wasserpumpe, die verwendet werden, um die FC 40 anzutreiben, und eine Klimaanlage zum Durchführen der Klimatisierung in dem Inneren des Fahrzeugs etc. enthalten.
Die BZVCU 21 wird aus einer Drossel (d.h. Induktivität) 31, einem SiC-FET (Siliziumkarbid-Feldeffekttransistor) 32 (SiC-MOSFET), der als ein Schaltelement dient, und einer Diode 33 gebildet. Basierend auf der geforderten Leistung der Last 30 wird der SiC-FET 32 durch das ESG 24 einer Ein/Aus-Schaltsteuerung (Einschaltdauersteuerung) unterzogen, wodurch die BZ-erzeugte Spannung Vbz auf eine vorgegebene Lastanschlussspannung Vinv spannungsverstärkt wird.
Die BATVCU 22 ist ein H-Brücken-Gleichstrom-/Gleichstromwandler und wird aus einer Drossel 45, IGBTs (Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode) 41 bis 44, die als Schaltelemente dienen, und Dioden 51 bis 54, die jeweils in einer Sperrrichtung und parallel mit den IGBTs 41 bis 44 geschaltet sind, gebildet.
In der BATVCU 22 werden zu Zeiten, zu denen die Spannung der Lastanschlussspannung Vinv durch den Betrieb des ESG 24 auf eine höhere Spannung als die Batteriespannung Vb hochgesetzt oder verstärkt wird, unter einer Bedingung, dass der IGBT 41 eingeschaltet ist und der IGBT 44 ausgeschaltet ist, der IGBT 42 und der IGBT 43 abwechselnd ein- und ausgeschaltet (eine Ein-/Ausschaltsteuerung wird durchgeführt), wodurch die Batteriespannung Vb (gespeicherte Spannung) auf die vorgegebene Lastanschlussspannung Vinv verstärkt wird, welche höher als die Batteriespannung Vb ist.
In der BATVCU 22 werden zu Zeiten, zu denen die Lastanschlussspannung Vinv durch den Betrieb des ESG 24 auf eine Batteriespannung Vb heruntergesetzt wird oder abnimmt, unter einer Bedingung, dass die IGBT 41, 42, 44 ausgeschaltet sind, der IGBT 434 abwechselnd ein- und ausgeschaltet (eine Ein-/Ausschaltsteuerung wird durchgeführt), wodurch die Spannung der Lastanschlussspannung Vinv sich auf die Batteriespannung Vb der BAT verringert.
Ferner sind in der BZVCU 21 und der BATVCU 22, jeweils Glättungskondensatoren 34 bis 37 zwischen der Primärseite 1Sf, 1Sf, zwischen der Primärseite 1Sb, 1Sb und zwischen der Sekundärseite 2S, 2S eingerichtet.
Das ESG 24 steuert die jeweiligen Komponenten des Motors 14, des INV 16, der BZ-Einheit 18, der BAT 20, der BZVCU 21 und der BATVCU 22 etc. durch nicht dargestellte Verbindungsleitungen. Wenn derartige Steuerungen durchgeführt werden, wird ein Programm, das in einem Speicher (ROM) des ESG 24 gespeichert ist, ausgefiihrt. Ferner werden in den Steuerungen Erfassungswerte von jedem von verschiedenen Sensoren (Spannungssensoren, Stromsensoren, Temperatursensoren und einem Drehzahlsensor, etc.) verwendet. Die Erfassungswerte umfassen die BZ-erzeugte Spannung Vbz, den BZ-erzeugten Strom Ibz, die BZ-Temperatur Tbz (die Temperatur des Kühlmittels, das von einer Wasserpumpe oder ähnlichem zirkuliert wird) der FC 40, die Batteriespannung Vb, den Batteriestrom (Entladestrom und Ladestrom) Ib, die Batterietemperatur Tb der BAT 20, die Lastanschlussspannung Vinv und den Sekundärstrom I2 des INV 16, den Motorstrom Im, die Motortemperatur Tm und die Motordrehzahl Nm etc.
Unter den verschiedenen Sensoren ist neben den vorstehend erwähnten Sensoren ein Eingabe-/Ausgabesensor enthalten, der mit dem Fahren des Fahrzeugs 10 zusammenhängt, wie etwa ein Gaspedalöffnungssensor und ein Motordrehzahlsensor etc.
Das ESG 24 ist eine Rechenvorrichtung einschließlich eines Mikrocomputers und umfasst eine CPU (zentrale Verarbeitungseinheit), Speicher einschließlich eines ROM (wie etwa einen EEPROM) und eines RAM (Direktzugriffspeicher), Eingabe-/Ausgabevorrichtungen einschließlich eines A/D-Wandlers, eines D/A-Wandlers etc. und einen Zeitgeber als eine Zeitmesseinrichtung. Die CPU liest in dem ROM gespeicherte Programme und führt sie aus, um als verschiedene Funktionsdurchführungsabschnitte (Funktionsausführungseinrichtung), zum Beispiel eine Steuerung, ein Rechner, ein Prozessor, etc. zu wirken. Das ESG 24 braucht nicht aus einem einzigen ESG gebildet zu werden, sondern kann für den Motor 14, die BZ-Einheit 18, die BAT 20, die BZVCU 21 und die BATVCU 22 jeweils aus mehreren ESGs gebildet werden oder kann alternativ aus einem integrierten ESG gebildet sein, das Steuerungen durch Miteinander-Integrieren der mehreren ESGs ausführt.
Das ESG 24 bestimmt während des Einstellens die Verteilung (Zuweisung) der Lasten (Lastleistung), die von der FC 40 getragen werden sollen, der Last (Lastleistung), die von der BAT 20 getragen werden soll, und der Last (Lastleistung), die von der Rückgewinnungsleistungsversorgung (Motor 14) getragen werden soll, aus der Last (Lastleistung), die von dem BZ-System 12 als dem BZ-Fahrzeug 10 in seiner Gesamtheit gefordert wird, welche neben Eingaben (Lastanforderungen) von den verschiedenen Schaltern und Sensoren basierend auf dem Zustand der FC 40, dem Zustand der BAT 20 und dem Zustand des Motors 14 bestimmt wird. Das ESG 24 schickt Befehle an den Motor 14, den INV 16, die BZ-Einheit 18, die BAT 20, die BZVCU 21 und die BATVCU 22 ab.
Das BZ-Fahrzeug 10, auf welches das Brennstoffzellensystem 12 gemäß der vorliegenden Ausführungsform angewendet wird, ist im Wesentlichen wie vorstehend beschrieben aufgebaut.
Als nächstes wird eine Beschreibung bezüglich der technischen Gründe, warum die BZVCU 21 derart aufgebaut ist, dass sie den SiC-FET 32 als ein Schaltelement enthält und die BATVCU 22 derart aufgebaut ist, dass sie aus den IGBTs 41 bis 44 als die Schaltelemente besteht, gegeben.
2 stellt die Frequenz- und Leistungscharakteristiken des SiC-FET 32 und der IGBTs 41 bis 44, die als Leistungsvorrichtungen dienen, dar. Es wird bemerkt, dass der SiC-FET im Vergleich zu den IGBTs bis zu einer höheren Betriebsfrequenz f[Hz] verwendet werden kann und der SiC-FET daher fähig ist, genaue Schaltbetätigungen mit hohen Geschwindigkeiten durchzuführen, Schaltverluste im Vergleich zu den IGBTs klein sind und dadurch eine Spannungsverstärkung effizient durchgeführt werden kann. Andererseits wird bezüglich der IGBTs bemerkt, dass, wenngleich die Betriebsfrequenz f [Hz], bei der sie verwendet werden können, niedriger als die des SiC-FET ist, die IGBTs im Vergleich zu dem SiC-FET unter den Gesichtspunkten der Wärmebeständigkeit und auch ihrer Spannungsfestigkeit fähig sind, eine hohe Leistung [VA] in einer stabilen Weise durchzuleiten, und ihre Zuverlässigkeit hoch ist. Gegenwärtig haben SiC-FETs bezüglich der Kosten höhere Kosten als IGBTs.
In 3 ist ein Spezifikationsvergleichsdiagramm 55 der FC 40 und der BAT 20 gezeigt. Ein maximaler Strom Imax der FC 40 wird derart festgelegt (ausgewählt), dass ein Strom von mehreren hundert Ampere, der in der Größenordnung von zweimal dem der BAT 20 ist, durch sie hindurch fließen kann. Wenngleich die maximalen Spannungen Vmax der FC 40 und der BAT 20 beide mehrere hundert Volt sind, wird die maximale Spannung Vmax der BAT 20 höher als die der BAT 40 festgelegt (ausgewählt).
Die minimale Spannung Vmin der FC 40 ist eine Spannung die kleiner oder gleich 100 Volt ist, und die minimale Spannung Vmin der BAT 20 ist eine Spannung, die in der Größenordnung des Dreifachen der der FC 40 ist. Die verwendete mittlere Spannung Pmittel wird derart festgelegt (ausgewählt), dass, wenngleich beide in der Größenoberdung mehrerer Kilowatt sind, die mittlere Leistung Pmittel der BAT 20 höher als die der FC 40 ist. Die verwendete mittlere Leistung Pmittel der BAT 20 ist ein Mittelwert des Absolutwerts der Ladung, die entladen oder zum Aufladen verwendet wird.
In 4 sind Strom- und Spannungscharakteristiken während der tatsächlichen Verwendung der FC 40 und der BAT 20 gezeigt. In der BZ-Strom-Spannungscharakteristik IVbz, die durch die fette Punkt-Strichlinie gezeigt ist, ist der BZ-erzeugte Strom Ibz Ibz = 0 [A]. Insbesondere wird eine Charakteristik gezeigt, in der die BZ-erzeugte Spannung Vbz zu einer Zeit, zu der der BZ-erzeugte Strom Ibz nicht entnommen wird, die offene Endspannung der BZ Vbzo wird (Vbz = Vbzo), und die BZ-erzeugte Spannung Vbz abnimmt, wenn der BZ-erzeugte Strom Ibz zunimmt. Überdies wird in der FC 40 der BZ-erzeugte Strom Ibz durch Steuern (Bestimmen) der BZ-erzeugten Spannung Vbz gesteuert (bestimmt).
Andererseits zeigt die BAT-Spannungs- und Stromcharakteristik IVbat (50), die durch die fette durchgezogene Linie gezeigt ist, eine Charakteristik an, wenn der SOC (Ladezustand) 50 [%] ist und durch das ESG 24 eine Energieverwaltung einer Lade- und Entladesteuerung ausgeführt wird, so dass der SOC der BAT 20, die in dem Brennstoffzellenfahrzeug 10 montiert ist, im Mittel SOC = 50 [%] wird. Die BAT-Spannungs- und Stromcharakteristiken IVbat (80), (70), (60), (40), (30) und 20) zeigen Charakteristiken zu Zeiten an, zu denen der SOC jeweils 80%, 70%, 60%, 40%, 30% und 20% ist.
Die vorgegebene Antriebbetriebsart gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist eine LA-4-Betriebsart. Die LA-4-Betriebsart ist ein Antriebsmuster für eine Abgasmessung, die in Amerika, Kanada, Australien und einigen der Länder in Europa verwendet wird. Neben dem Fahren in der Stadt ist teilweise Hochgeschwindigkeitsfahren enthalten. Die vorgegebene Antriebsbetriebsart ist nicht auf die LA-4-Betriebsart beschränkt und kann neben der JC08-Betriebsrt und der 10-15-Betriebsart aus Japan die UDC+EUDC-Betriebsart aus Europa sein.
In 4 ist die BZ-erzeugte Spannung Vbz bei einem mittleren Antriebsstromwert von I2mittelm gemäß der LA-4-Betriebsart auf der BZ-Strom-Spannungscharakteristik IVbz Vbz = Vbzm, und die BAT-Spannung Vb bei einem mittleren Betriebsartsantriebsstrom von I2mittelm ist auf der BAT-Spannungs- und Stromcharakteristik IVbat (50) Vb = Vbm.
Es sollte bemerkt werden, dass das ESG 24 in der Praxis die Energieverwaltung derart ausführt, dass der SOC der BAT 20 SOC = 50 [%] wird, und daher das Gleichgewicht des Batteriestroms Ib der BAT 20 0 [A] ist (in dem Fall, dass der Entladestrom positiv ist und der Ladestrom negativ ist) und der mittlere Betriebsartsantriebsstrom I2mittelm im Wesentlichen ein Strom ist, der von der FC 40 durch die BZVCU 21 an die Last 30 geliefert wird.
In 5 wird während des Fahrens in der LA-4-Betriebsart (Antrieb in der LA-4-Betriebsart) von einer Zeit von 0 [s] zu einer Zeit von 1400 [s] eine Änderung (fette durchgezogene Linie) der BZ-erzeugten Leistung Pbz [kW] der FC 40 und eine Änderung (dünne durchgezogene Linie) der BAT-Leistung Pb [kW] der BAT 20 gezeigt. Da sowohl Laden als auch Entladen darin stattfinden, bedeutet die BAT-Leistung Pb [kW] eine Leistung, die durch jeweilige Absolutwerte einer positiven (Entlade-) Leistung und einer negativen (Lade-) Leistung definiert wird (siehe 4).
Während des Betriebsartsantriebs wird in der FC 40 regelmäßig Leistung erzeugt, während eine stationäre BZ-Leistung Pbzm (Pbz = Pbzm) mit einem konstanten Wert als eine untere Leistungsgrenze genommen wird. In der Praxis ist in 4 die BZ-Spannung Vbzm konstant, und eine Leistung, die durch Multiplizieren der BZ-Spannung Vbzm (auf die auch als eine stationäre BZ-Spannung Vbzm Bezug genommen wird) mit dem entsprechenden BZ-erzeugten Strom Ibz erhalten wird, wird die stationäre BZ-Leistung Pbzm = Ibz x Vbzm.
Da zum Beispiel während einer Zeitspanne Ta vor der Zeit von 200 [s] die stationäre BZ-Leistung Pbzm und die BAT-Leistung Pb gleich große Werte sind, versteht sie sich als eine Zeitspanne, während der die BAT 20 durch die BZ-erzeugte Leistung Pbz geladen wird. Ferner wird zu einer Zeit hoher Last, wie etwa, wenn das Fahrzeug 10 beschleunigt oder ähnliches, nach der Zeit von 200 [s] bis zu einer Zeit in der Nähe von 300 [s] durch die BZ-erzeugte Leistung Pbz [kW] eine große Menge an Leistung erzeugt (der BZ-erzeugte Strom Ibz wird ein hoher Strom und die BZ-erzeugte Spannung Vbz wird niedrig). In diesem Fall ist ein hochfrequentes Schalten möglich, da der SiC-FET 32 als das Schaltelement der BZVCU 21 verwendet wird, und es kann eine hochpräzise Stromsteuerung ausgeführt werden.
Um dies genauer zu erklären, ist zu einer Zeit hoher Last, wenn der Motorstrom Im, der an den Motor 14 geliefert wird, hoch ist, die Lastanschlussspannung Vinv (Ausgangsspannung der BZVCU 21) eine hohe Spannung, die unter dem Verstärkungsbetrieb der BATVCU 22 erforderlich ist, während es, damit die BZ-erzeugte Leistung Vbz der FC 40 eine hohe Stromausgabe zeigt (hoher BZ-erzeugter Strom Ibz), notwendig ist, dass sie auf der Niederspannungsseite gehalten wird (siehe die BZ-Strom-Spannungscharakteristik IVbz von 4). Wenngleich es notwendig ist, dass das Verstärkungs- oder Aufwärtsstellverhältnis (Vinv/Vbz) der BZVCU 21 steil zunimmt, wird daher hochfrequentes Schalten ermöglicht, da der SiC-FET 32 verwendet wird, und eine hoch präzise Stromsteuerung kann ansprechend auf den zugeführten Motorstrom Im ausgeführt werden.
Wenngleich außerdem während der Zeit, zu der die FC 40 Leistung mit der stationären BZ-Leistung Pbzm erzeugt, das Einschaltdauerverhältnis der BZVCU 21 mit einer hohen Geschwindigkeit gesteuert wird, so dass die stationäre BZ-Spannung Vbzm aufrecht erhalten wird, selbst wenn die Lastanschlussspannung Vinv variiert wird, ist es möglich, die stationäre BZ-Spannung Vbzm in Übereinstimmung mit der Hochgeschwindigkeitssteuerung aufrecht zu erhalten, da der SiC-FET 32 verwendet wird.
Wie durch die gestrichelte Linie in 5 gezeigt, wird die mittlere BZ-Leistung Pbzmittel [kW] zur Zeit des Antriebs in der Betriebsart eine Leistung, die größer als die stationäre BZ-Leistung Pbzm ist (Pbzmittel > Pbzm).
Zur Zeit des Antriebs in der Betriebsart wird die mittlere Durchflussleistung Pbmittel der BAT 20 (BATVCU 22) größer als eine Leistung, die größer als die mittlere BZ-Leistung Pbzmittel [kW] ist.
Zusammenfassung der Ausführungsform
Wie vorstehend beschrieben, ist das Brennstoffzellensystem 12 als ein Lastantriebsbrennstoffzellensystem mit zwei Leistungsversorgungen gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ein System, in dem die Last 30 durch die FC 40 und die BAT 20 (elektrische Speichervorrichtung) angetrieben wird. Das Brennstoffzellensystem 12 ist mit der BZVCU 21 als eine erste Leistungsumwandlungsvorrichtung (Spannungsverstärker), der an den Ausgangsanschlüssen der FC 40 angeordnet ist, und mit der BATVCU 22 als eine zweite Leistungsumwandlungsvorrichtung (Spannungsaufwärts-/Abwärtsstelleinheit), die an den Anschlüssen der BAT 20 angeordnet ist, ausgestattet.
Die BZVCU 21 wird durch ein Schaltelement gebildet, das den SiC-FET 32 umfasst, und die BATVCU 22 wird durch ein Schaltelement gebildet, das aus den IGBTs 41 bis 44 besteht. Der maximale Stromwert der FC 40 (Imax [A] in 3) wird höher als der maximale Stromwert der BAT 20 [Imax [A] in 3) festgelegt, und außerdem wird in einer vorgegeben Antriebsbetriebsart, d.h. in der LA-4-Antriebsbetriebsart gemäß der vorliegenden Erfindung, der mittlere Durchflussleistungswert (Pbmittel in 5) der BATVCU 22 (IGBTs 41 bis 44) höher als der mittlere Durchflussleistungswert (Pbzmittel in 5) der BZVCU 21 festgelegt.
Da die BZVCU 21 an den Ausgangsanschlüssen der FC 40 verwendet wird, kann auf diese Weise die Anzahl von Zellen de FC 40 verringert werden, und es ist möglich, ein System mit kleiner Kapazität und einer Senkung der Kosten zu realisieren. Zusammen damit können durch den Hochgeschwindigkeitsbetrieb der BZVCU 21 (erste Leistungsumwandlungsvorrichtung), die den Si-FET 32 enthält, selbst wenn es Schwankungen (Lastschwenkungen) in der Lastanschlussspannung Vinv gibt, Schwankungen in der Ausgangsanschlussspannung (BZ-erzeugte Spannung Vbz) der FC 40 unterdrückt werden, und die Haltbarkeit der FC 40 kann sichergestellt werden. Da die IGBTs 41 bis 44 ferner in der BATVCU 22 eingerichtet sind, die eine große mittlere Durchflussleistung Pbmittel (mittlerer Durchflussleistungswert) hat, können Leistungsverluste in dem Brennstoffzellensystem 12 verringert werden, und es kann ein System aufgebaut werden, in dem die Charakteristiken der Schaltelemente (SiC-FET oder ITBTs) der BZVCU 21 und der BATVCU 22 ausgenutzt werden.
In diesem Fall wird in der FC 40 die stationäre BZ-Leistung Pbzm als die untere Leistungsgrenze festgelegt (siehe 5), und wenn die geforderte Leistung der Last 30 kleiner oder gleich der unteren Leistungsgrenze (stationäre BZ-Leistung Pbzm) ist, erzeugt die FC 40 Leistung mit der unteren Leistungsgrenze (stationäre BZ-Leistung Pbzm), und ein Teil der Leistung der FC 40 über die untere Leistungsgrenze hinaus (stationäre BZ-Leistung Pbzm) wird zum Laden der BAT 20 genutzt (zum Beispiel während der Zeitspanne Ta in 5).
Andererseits wird in dem Fall, in dem die geforderte Leistung der Last 30 über die untere Leistungsgrenze (stationäre BZ-Leistung Pbzm) der FC 40 hinaus geht und die BAT 20 in einem Zustand mit niedrigem SOC ist (gemäß der vorliegenden Erfindung, wenn der SOC weniger als 50 [%] ist), die BZVCU 21 derart gesteuert, dass die erzeugte BZ-Leistung Pbz der FC 40 mit der Schwankung (dem Anstieg) der geforderten Leistung der Last 30 verknüpft ist (von nach der Zeit von 200 [s] bis zu der Nähe der Zeit von 300 [s] oder ähnlichem).
Auf diese Weise ist die FC 40 fähig, regelmäßig Leistung mit der unteren Leistungsgrenze (stationäre BZ-Leistung Pbzm), die einer festen Last entspricht, zu erzeugen, während zu einer Zeit einer hohen Ausgangsleistung durch die BZVCU 21, die mit dem SiC-FET 32 ausgestattet ist, dessen Ansprechbarkeit hoch ist, elektrische Leistung von der FC 40 entnommen werden kann. Folglich kann ein System aufgebaut werden, das eine hohe Haltbarkeit der FC 40 ha und hoch ansprechend auf Schwankungen in der geforderten Leistung der Last ist. Somit ist das System für die Anwendung auf das Brennstoffzellenfahrzeug 10 geeignet.
Die untere Leistungsgrenze (stationäre BZ-Leistung Pbzm) der FC 40 wird vorzugsweise aufeinen Wert festgelegt, der kleiner oder gleich der Durchflussleistung (mittlere Durchflussleistung Pbmittel) der IGBTs 41 bis 44 ist, welche die BATVCU 22 bilden, die an den Eingangs-/Ausgangsanschlüssen der BAT 20 angeordnet ist. Da bei der Handhabung auf diese Weise der Stopp von Leistung von der FC 40 durch übermäßiges Laden der BAT 20 unterdrückt wird, kann die Verschlechterung der FC 40 verhindert werden, und es kann ein äußerst haltbares Brennstoffzellensystem 12 aufgebaut werden.
[Andere Ausführungsform]
6 ist eine Skizze einer schematischen Gesamtansicht eines Brennstoffzellenfahrzeugs 10A (auf das hier nachstehend als ein „BZ-Fahrzeug 10A“ oder ein „Fahrzeug 10A“ Bezug genommen wird), auf welches ein Brennstoffzellensystem 12A (auf das hier nachstehend als ein „BZ-System 12A“ Bezug genommen wird) als ein Lastantriebsbrennstoffzellensystem mit zwei Leistungsversorgungen gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angewendet wird. In dem in 6 gezeigten BZ-Fahrzeug sind Bestandteilelemente, die gleich wie die des in 1 gezeigten BZ-Fahrzeugs 10 sind, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und ihre detaillierte Beschreibung wird weggelassen. Jedoch ist der grundsätzliche Unterschied zwischen den Ausführungsformen, dass die BZVCU 21 in eine BZVCU 21A geändert ist.
Die BZVCU 21A, die ein Chopper-Spannungsverstärkungswandler (Spannungsverstärker) ist, der als die erste Leistungsumwandlungsvorrichtung dient, wird durch vier parallele VCUs gebildet, die eine VCU 101 erster Phase, eine VCU 102 zweiter Phase, eine VCU 103 dritter Phase und eine VCU 104 vierter Phase umfassen.
Die VCU 101 erster Phase wird aus einem Drossel 61, einem SiC-FET 71 als ein Schaltelement und einer Diode 81 gebildet.
Die VCU 102 zweiter Phase besitzt die gleichen Elemente und den gleichen Schaltungsaufbau wie die VCU 101 erster Phase und wird aus einem Drossel 62, einem SiC-FET 72 als ein Schaltelement und einer Diode 82 gebildet.
Die VCU 103 dritter Phase wird aus einem Drossel 63, einem IGBT 73 als ein Schaltelement und einer Diode 83 gebildet.
Die VCU 104 vierter Phase besitzt die gleichen Elemente und den gleichen Schaltungsaufbau wie die VCU 103 dritter Phase und wird aus einem Drossel 64, einem IGBT 74 als ein Schaltelement und einer Diode 84 gebildet.
Die SiC-FETs 71, 72 und die IGBTs 73, 74 werden durch das ESG 24 basierend der geforderten Leistung der Last 30 den Ein/Aus-Schaltsteuerungen (Einschaltdauerverhältnissteuerungen) unterzogen, wodurch die Spannung der BZ-erzeugten Spannung Vbz auf die vorgegebene Lastanschlussspannung Vinv verstärkt werden kann.
Mit dem Brennstoffzellensystem 12A gemäß der anderen Ausführungsform wird ein Aufbau bereitgestellt, in dem ein Durchflussstrom Ibz2 der BZVCU 21A und die Temperaturen Tc1, Tc2 der SiC-FETs 71, 72, die als Schaltelemente dienen, als Steuereingaben in Bezug auf das ESG 24 bereitgestellt werden. Somit wird der Durchflussstrom Ibz2 durch einen Stromsensor 80 erfasst und wird zusammen mit den Temperaturen Tc1, Tc2, die von Temperatursensoren 91, 92 erfasst und an das ESG 24 geliefert werden, an das ESG 24 geliefert.
Als nächstes werden die Betriebe der BZVCU 21A des Brennstoffzellensystems 12A gemäß der in 6 gezeigten anderen Ausführungsform unter Bezug auf das Flussdiagramm von 7 und die Zeitdiagramme von 8 und 9 beschrieben.
In Schritt S1 bestimmt der Stromsensor 80, ob der Durchflussstrom Ibz2, der von der BZVCU 21A zu der Seite der Sekundärseite 2S fließt, größer oder gleich einem Schwellwertstrom Ischw geworden ist oder nicht (Ibz2 ≥ Ischw).
Der Schwellwertstrom Ischw wird zum Beispiel auf einen Stromwert einer Hälfte des maximalen BZ-erzeugten Stromwerts (Nennstromwert) festgelegt, dessen Ausgabe von der FC 40 geplant ist.
Wenn der Durchflussstrom Ibz2 in der Bestimmung von Schritt S1 kleiner als der Schwellwertstrom Ischw ist (Tbz2 < Ischw, Schritt S1: Nein), dann wird in Schritt S2 bestimmt, ob wenigstens eine der Temperaturen aus den Temperaturen Tc1, Tc2 der SiC-FETs 71, 72 größer oder gleich der Schwellwerttemperatur Tschw geworden ist oder nicht (Tc1 ≥ Tschw oder Tc2 ≥ Tschw).
Wenn in der Bestimmung von Schritt S2 die Temperaturen Tc1, Tc2 der SiC-FETs 71, 72 kleiner als die Schwellwerttemperatur Tschw sind (Tcl1 < Tschw und Tc2 < Tschw), insbesondere in dem Fall, dass die Bestimmung von Schritt S2 negativ ist (Schritt S2: Nein), dann werden in Schritt S3 die Schaltsteuerungen der VCU 103 dritter Phase (IGBT 73) und der VCU 194 vierter Phase (IGBT 74) beendet, und die VCU 101 erster Phase (SiC-FET 71) und der VCU 102 zweiter Phase (SiC-FET 72) werden Schaltsteuerungen unterzogen.
In diesem Fall werden nach einem Aspekt von Schritt S3, wie durch die Wellenform des Zeitbereichs von der Zeit t20 bis zu der Zeit t21' von 8 gezeigt, in dem Fall, dass der Wert des Durchflussstroms Ibz2 ein konstanter Wert ist, der SiC-FET 71 und der SiC-FET 72 Ein/Aussteuerungen mit einem festen Einschaltdauerverhältnis unterzogen.
Ferner werden nach einem anderen Aspekt von Schritt S3, wie durch die Wellenform des Zeitbereichs von der Zeit t10 bis zu der Zeit t11 von 9 gezeigt, in dem Fall, dass der Wert des Durchflussstroms Ibz steigt, der SiC-FET 71 und der SiC-FET 72 Ein/Aussteuerungen mit einem variablen Einschaltdauerverhältnis unterzogen, so dass ihr Einschaltdauerverhältnis zunimmt.
Selbst wenn in der Bestimmung von Schritt S1 der Durchflussstrom Ibz2 kleiner als der Schwellwertstrom Ischw ist (Ibz2 < Ischw, Schritt S1: Nein), werden in dem Fall, dass in Schritt S2 wenigstens eine der Temperaturen aus den Temperaturen Tc1, Tc2 der SiC-FETs 71, 72 größer oder gleich der Schwellwerttemperatur Tschw geworden ist (Tec1 ≥ Tschw oder Tc2 ≥ Tschw), insbesondere wenn die Bestimmung von Schritt S2 positiv ist (Schritt S2: Ja), dann in Schritt S4 gemeinsam mit den VCUs 103, 104 dritter und vierter Phase (IGBTs 73, 74), die Schaltsteuerungen unterzogen werden, die VCUs 101, 102 erster und zweiter Phase (SiC-FETs 71, 72) Schaltsteuerungen unterzogen. Insbesondere werden die VCUs 101, 102 erster und zweiter Phase, wie durch die Wellenformen nach der Zeit t21 von 8 gezeigt, gemeinsam mit den VCUs 103, 104 dritter und vierter Phase, die Schaltsteuerungen unterzogen werden, Schaltsteuerungen unterzogen.
Andererseits werden in der Bestimmung von Schritt S1 in dem Fall, dass der Durchflussstrom Ibz2 größer oder gleich dem Schwellwertstrom Ischw ist, (Ibz2 ≥ Ischw, Schritt S1: Ja), dann ungeachtet dessen, ob die Temperaturen Tc1, Tc2 der SiC-FETs 71, 72 größer oder gleich der Schwellwerttemperatur Tschw sind, in Schritt S5, wie durch die Wellenformen von der Zeit t11 bis zu der Zeit 112 von 9 gezeigt, die VCUs 101, 102 erster und zweiter Phase zusammen mit den VCUs 103, 104 dritter und vierter Phase, die Schaltsteuerungen unterzogen werden, Schaltsteuerungen unterzogen.
[Zusammenfassung der anderen Ausführungsform]
Das Brennstoffzellensystem 12A ist als ein Lastantriebsbrennstoffzellensystem mit zwei Leistungsversorgungen gemäß der vorstehend beschriebenen anderen Ausführungsform ein System, in dem die Last 30 von der FC 40 und der BAT 20 (elektrische Speichervorrichtung) angetrieben wird. Das Brennstoffzellensystem 12A ist mit der BZVCU 21A als eine erste Leistungsumwandlungsvorrichtung, die an den Ausgangsanschlüssen der FC 40 angeordnet ist, und der BATVCU 22 als eine zweite Leistungsumwandlungsvorrichtung, die an den Anschlüssen der BAT 20 angeordnet ist, ausgerüstet.
In diesem Fall wird die BZVCU 21A durch Schaltelemente gebildet, die aus den SiC-FETs 71, 72 und den IGBTs 73, 74 bestehen, und die BATVCU22 wird durch Schaltelemente gebildet, die aus den IGBTs 41 bis 44 bestehen. Der maximale Stromwert der FC 40 (Imax [A] in 3) wird höher als der maximale Stromwert der BAT 20 (Imax [A] in 3) festgelegt, und außerdem wird in einer vorgegebenen Antriebsbetriebsart, d.h. in der LA-4-Antriebsbetriebsart gemäß der vorliegenden Ausführungsform, der mittlere Durchflussleistungswert (Pbmittel in 5) der BATVCU 22 (IGBTs 41 bis 44) höher als der mittlere Durchflussleistungswert (Pbzmittel in 5) der BZVCU 21A festgelegt.
Außerdem wird ein Aufbau bereitgestellt, so dass zu einer Zeit, zu der die Last 30 eine niedrige Last ist (Ibzc2 < Ischw, Schritt S1: Nein) nur die SiC-FETs 71, 72 von zwei Phasen der VCU 101 erster Phase und der VCU 102 zweiter Phase in einen Betriebszustand versetzt werden (Schritt S3, Zeit t10 bis Zeit t11 von 9), und zu einer Zeit, zu der die Last 30 eine hohe Last ist (Ibzc2 ≥ Ischw, Schritt S1: Ja, Schritt S5) sowohl die SiC-FETs 71, 72 als auch die IGBTs 73, 74 von vier Phasen der VCU 101 erster Phase bis zu der VCU 104 vierter Phase in einen Betriebszustand versetzt werden. Daher wird die Ausgangsleistung (BZ-erzeugte Leistung Pbz) der FC 40 zu einer Zeit niedriger Last gesteuert, so dass sie nicht von der unteren Leistungsgrenze (stationäre BZ-Leistung Pbzm) abweicht, während zu einer Zeit hoher Last die IGBTs 73, 74 ebenfalls betrieben werden, und somit kann eine hohe Leistung zu geringen Kosten von der FC 40 an die Last 30 geliefert werden.
Selbst wenn ferner die Last 30 eine niedrige Last ist (Ibz2 < Ischw: Schritt S1: Nein), kann in dem Fall, dass wenigstens eine der Temperaturen Tc1, Tc2 der SiC-FETs 71, 72 größer oder gleich der Schwellwerttemperatur Tschw geworden ist (Tc1 ≥ Tschw oder Tc2 ≥ Tschw, Schritt S2: Ja), eine Verschlechterung oder ein Ausfall der SiC-FETs 71, 72 aufgrund der Erzeugung von Wärme verhindert werden, da ein Aufbau bereitgestellt wird, in dem sowohl die SiC-FETs 71, 72 als auch die IGBs 73, 74 von vier Phasen der VCU 101 erster Phase bis zur VCU 104 vierter Phase in einen Betriebszustand versetzt sind (Zeit t21' bis Zeit t22, Schritt S4).

Claims

System aufweisend ein Lastantriebsbrennstoffzellensystem (12) und eine Last (30), wobei das Lastantriebsbrennstoffzellensystem (12) dazu ausgestaltet ist, dass die Last (30) von einer Brennstoffzelle (40) und einer elektrischen Speichervorrichtung (20) angetrieben wird, wobei das Lastantriebsbrennstoffzellensystem aufweist: • eine erste Leistungsumwandlungsvorrichtung (21) aufweisend eine Primärseite und eine Sekundärseite, wobei die Primärseite der ersten Leistungsumwandlungsvorrichtung (21) mit Ausgangsanschlüssen der Brennstoffzelle (40) verbunden ist und die Sekundärseite der ersten Leistungsumwandlungsvorrichtung (21) mit der Last (30) verbunden ist; • eine zweite Leistungsumwandlungsvorrichtung (22) aufweisend eine Primärseite und eine Sekundärseite, wobei die Primärseite der zweiten Leistungsumwandlungsvorrichtung (22) mit Anschlüssen der elektrischen Speichervorrichtung (20) verbunden ist und die Sekundärseite der zweiten Leistungsumwandlungsvorrichtung (22) mit der Sekundärseite der ersten Leistungsumwandlungsvorrichtung (21) verbunden ist; • die Brennstoffzelle (40) und die elektrische Speichervorrichtung (20); • wobei: die erste Leistungsumwandlungsvorrichtung (21) durch ein Schaltelement (32) gebildet wird, das einen Siliziumkarbid-Feldeffekttransistor, SiC-FET, umfasst, die zweite Leistungswandlungsvorrichtung (22) durch ein Schaltelement (41, 42, 43, 44) gebildet wird, das aus einem Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode, IGBT, besteht; • wobei das Lastantriebsbrennstoffzellensystem derart ausgestaltet ist, dass: ein maximaler Stromwert, Imax, der Brennstoffzelle (40) höher als ein maximaler Stromwert, Imax, der elektrischen Speichervorrichtung (20) ist; ein Spannungswert, Vbzm, der Brennstoffzelle (40) in einer vorgegebenen Antriebsbetriebsart niedriger als ein Spannungswert, Vbm, der elektrischen Speichervorrichtung (20) ist, und ein mittlerer Leistungsdurchflusswert, Pbmittel, der zweiten Leistungsumwandlungsvorrichtung (22) höher als ein mittlerer Leistungsdurchflusswert, Pbzmittel, der ersten Leistungsumwandlungsvorrichtung (21) ist.
System nach Anspruch 1, wobei: das Lastantriebsbrennstoffzellensystem derart ausgestaltet ist, dass in der Brennstoffzelle (40) eine untere Leistungsgrenze (Pbzm) festgelegt ist, und weiterhin das Lastantriebsbrennstoffzellensystem derart ausgestaltet ist, dass, falls eine geforderte Leistung der Last (30) kleiner oder gleich der unteren Leistungsgrenze (Pbzm) ist, eine erzeugte Leistung der Brennstoffzelle (40) die untere Leistungsgrenze (Pbzm) ist, und, ansprechend auf eine Schwankung in der geforderten Leistung der Last (30), eine Ladeleistung in der elektrische Speichervorrichtung (20) geändert wird; und weiterhin das Lastantriebsbrennstoffzellensystem derart ausgestaltet ist, dass, in einem Fall, in dem die geforderte Leistung der Last (30) die untere Leistungsgrenze (Pbzm) überschreitet, die erste Leistungsumwandlungsvorrichtung (21) derart gesteuert wird, dass die erzeugte Leistung der Brennstoffzelle (40) mit der Schwankung in der geforderten Leistung der Last (30) verknüpft wird.
System nach Anspruch 2, wobei das Lastantriebsbrennstoffzellensystem derart ausgestaltet ist, dass die untere Leistungsgrenze (Pbzm) der Brennstoffzelle auf einen Wert festgelegt ist, der kleiner oder gleich dem mittleren Durchflussleistungswert (Pbmittel) der zweiten Leistungsumwandlungsvorrichtung (22) ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste Leistungsumwandlungsvorrichtung (21) durch ein Schaltelement (71, 72, 73, 74) gebildet wird, das neben dem SiC-FET einen IGBT umfasst und das Lastantriebsbrennstoffzellensystem derart ausgestaltet ist, dass die erste Leistungsumwandlungsvorrichtung (21) derart gesteuert wird, dass, wenn die Last (30) eine niedrige Last ist, nur das SiC-FET-Schaltelement (71, 72) in einen Betriebszustand versetzt wird, und wenn die Last (30) eine hohe Last ist, sowohl das SiC-FET-Schaltelement (71, 72) als auch das IGBT-Schaltelement (73, 74) in einen Betriebszustand versetzt werden.
System nach Anspruch 4, wobei, selbst falls die Last (30) eine niedrige Last ist, in einem Fall, in dem die Temperatur (Tc1, Tc2) des SiC-FET-Schaltelements (71, 72) größer oder gleich einer Schwellwerttemperatur (Tschw) ist, das Lastantriebsbrennstoffzellensystem derart ausgestaltet ist, dass sowohl das SiC-FET-Schaltelement (71, 72) als auch das IGBT-Schaltelement (73, 74) derart gesteuert werden, dass sie in einen Betriebszustand versetzt werden.