JP7202742B2 - 電動自動車両の車両電気システムのための回路装置及びこのタイプの回路装置を動作させるための方法 - Google Patents

電動自動車両の車両電気システムのための回路装置及びこのタイプの回路装置を動作させるための方法 Download PDF

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Description

本発明は、電動自動車両（ｅｌｅｋｔｒｉｓｃｈ ａｎｇｅｔｒｉｅｂｅｎｅｓ Ｋｒａｆｔｆａｈｒｚｅｕｇ、電気駆動の自動車）の電装系のための回路装置（Ｓｃｈａｌｔｕｎｇｓａｎｏｒｄｎｕｎｇ、回路構成）、そのような回路装置を伴う電動自動車両、及び、そのような回路装置を動作させるための方法に関する。
電動自動車両は、高電圧バッテリの現在のエネルギー密度に起因して依然として比較的限られたレンジ（Ｒｅｉｃｈｗｅｉｔｅ、範囲、航続距離）を有することが多い。レンジを拡大するために、電気車両にいわゆるレンジエクステンダを使用してレンジを増大させることがそれ自体知られている。現在最も頻繁に使用されているレンジエクステンダは、高電圧バッテリ及び／又は電気モータに電気を供給する発電機を駆動させる内燃機関を有する。
また、複数の燃料電池を有するレンジエクステンダも知られている。これらのレンジエクステンダの１つの利点は、水素及び酸素が通常反応して水を形成するため、レンジエクステンダらには実質的に排ガスがないことである。一般に、そのような燃料電池ベースのレンジエクステンダは、燃料電池に圧縮空気を供給するために１つ以上のコンプレッサを必要とする。コンプレッサは、比較的複雑な態様でそれぞれのレンジエクステンダに適合される必要がある。更に、そのような燃料電池ベースのレンジエクステンダと高電圧バッテリとの電気的な相互接続は比較的高価である。
したがって、本発明の目的は、燃料電池ベースのレンジエクステンダを特に簡単で問題のない態様で使用して、電動自動車両のレンジを拡張することができる解決策を提供することである。
この目的は、独立請求項の主題によって達成される。本発明の更なる想定し得る実施形態が従属請求項に明記される。
電動自動車両の電装系のための本発明に係る回路装置は、自動車両の駆動装置にエネルギーを供給するための高電圧バッテリを備える。更に、回路装置は、直列に接続された複数の燃料電池と水素及び空気の形態を成す反応物質を供給するためのインタフェースとをそれぞれ伴う複数の同一の燃料電池ベースモジュール有する、高電圧バッテリを充電するように設計されるレンジエクステンダを備える。また、インタフェースは、燃料電池ベースモジュールから水及び残留ガスを排出するように設計されてもよい。
レンジエクステンダは、複数の、特に同一の構造の燃料電池ベースモジュールを備えるモジュール式レンジエクステンダシステムに基づいてもよく、燃料電池ベースモジュールのそれぞれは、直列に接続された複数の燃料電池と、水素及び空気を供給するとともに水及び残留ガスを除去するためのインタフェースとを有する。更に、モジュール式レンジエクステンダシステムは、インタフェースを介して燃料電池ベースモジュールに空気及び水素を供給するとともに、インタフェースを介して燃料電池ベースモジュールから水及び残留ガスを排出するように設計される媒体供給デバイスを備える。異なる電力及び／又は電圧を供給するために、異なる数の燃料電池ベースモジュールが、異なる直列及び／又は並列回路で互いに電気的に接続可能であるとともに、それぞれの改良型のレンジエクステンダを形成するべく媒体供給デバイスを伴って構成可能である。回路装置のレンジエクステンダは、レンジエクステンダシステムに基づく特定の形態又は改良型であってもよい。
モジュール式レンジエクステンダシステムでは、個々の燃料電池ベースモジュールが、それぞれの用途ごとに必要とされる対応する組み合わせによって、システム全体、すなわち、特定の改良型のレンジエクステンダに拡張可能であることが不可欠である。個々の燃料電池ベースモジュールの対応する並列接続及び直列接続によって、例えば利用可能な電力に関して異なるが例えば同じ高電圧を供給できる異なる改良型のレンジエクステンダが構成されてもよい。勿論、利用可能な電圧がレンジエクステンダの様々な改良型で異なるように、燃料電池ベースモジュールを相互接続することも可能である。
また、燃料電池ベースモジュールは、高度に独立した機能のためにそれぞれの燃料電池ベースモジュールに組み込まれる多種多様な周辺構成要素及びシステム構成要素を含んでもよい。特に、特定の境界条件に適切に適合されるモジュール式レンジエクステンダシステムの構成を伴って、対象の改良型のレンジエクステンダに関して特に長い寿命及び効率を達成することが可能である。したがって、とりわけ、関連する改良型のレンジエクステンダの規定された動作ポイントを伴う境界条件に適合される形態を達成することができる。特に、部分負荷範囲に関してそれぞれの改良型レンジエクステンダを設計することも可能である。
個々の燃料電池ベースモジュールは、例えば、約１００ｃｍ２の反応面積及び約８０個の燃料電池を有してもよい。勿論、バイポーラプレートの数及び面積、並びに、燃料電池の数を異なって設計することも可能である。それぞれの基本的な燃料電池モジュールごとに直列に接続された燃料電池は、例えば、８０Ｖの開回路電圧及び全負荷動作において４８Ｖの電圧をもたらすことができる。しかしながら、燃料電池ベースモジュールの形態に応じて、他の開回路電圧及び他の動作ポイントも可能である。
モジュール式レンジエクステンダシステムを使用して、例えば、非常に異なる車両タイプに関して非常に異なる改良型の燃料電池ベースレンジエクステンダを構成することが可能である。例えば、特にパワフルな改良型のレンジエクステンダを電動商用車両に提供することができ、また、例えば、同じ燃料電池ベースモジュールに基づく電動小型自動車に関してあまりパワフルでない改良型のレンジエクステンダを構成することも可能である。個々の燃料電池ベースモジュールは、一度だけ開発、試験、及び、承認されれば済む。このとき、言及された様々な改良型のレンジエクステンダが、好ましくは標準化された燃料電池ベースモジュールに基づいて構成されてもよい。
特に、モジュール式レンジエクステンダシステムに基づいて、直流電圧コンバータを介在させることなく電気車両の高電圧バッテリに並列に接続され得る特定の電気車両用の燃料電池ベースレンジエクステンダを構成することができる。したがって、通常は、非常に高価な直流電圧コンバータを省くことができる。したがって、モジュール式レンジエクステンダシステムに基づいて適切に構成されるレンジエクステンダの電圧レベルは、個々の燃料電池ベースモジュールを直列及び並列回路で相互接続するだけで、関連する高電圧バッテリの電圧レベルに容易に適合され得る。
更に、回路装置は、並列回路の形態を成す直流電圧コンバータを伴うことなく高電圧バッテリとレンジエクステンダとを導電的に接続するように設計される、レンジエクステンダを接続するためのスイッチングデバイスを備える。言い換えると、回路装置は、高電圧バッテリ及びレンジエクステンダのそれぞれの電圧を互いに調整するために直流電圧コンバータを備えない。したがって、レンジエクステンダのそれぞれの電圧レベルは、レンジエクステンダが接続されるときに、とりわけ高電圧バッテリの充電状態によって決定される高電圧バッテリのそれぞれの電圧レベルから得られる。
本発明に係る回路装置は制御デバイスも備え、該制御デバイスは、それがレンジエクステンダに関連する起動信号を受信してしまった後に、以下のステップ、すなわち、
－高電圧バッテリの少なくとも１つの量に応じてレンジエクステンダの動作ポイントを決定するステップと、
－決定された動作ポイントに基づいて燃料電池ベースモジュールに対する反応物質の供給量及び／又は燃料電池の動作温度に関連するそれぞれの設定値を規定するステップと、
－それぞれの規定された設定値に対応して反応物質を供給する及び／又は燃料電池の温度を調整するように設計されるシステムを制御するステップと、
－反応物質の供給量及び／又は動作温度に関連するそれぞれの設定値に達した後にのみ、レンジエクステンダを接続するためにスイッチングデバイスを制御するステップと、
を実行するようになっている。
本発明に係る回路装置は直流電圧コンバータを必要としないため、レンジエクステンダが接続前に又は遅くとも接続時点で利用可能な必要な反応物質を有すること、及び／又は、レンジエクステンダの燃料電池が十分な動作温度を有することが不可欠である。制御デバイスは、例えば自動車両のセンサデバイスから、多種多様な量の高電圧バッテリに関する多種多様なデータを受信して評価するように設計され得る。また、制御デバイスは、このセンサデバイスから燃料電池に関する温度データを受信することもできる。
本発明は、特に回路装置が直流電圧コンバータを有さないため、レンジエクステンダの動作ポイントが高電圧バッテリの異なる量に大きく依存するという知識に基づいている。したがって、高電圧バッテリは、レンジエクステンダが接続される時点でのレンジエクステンダのそれぞれの動作ポイントに関して、その後も、レンジエクステンダが接続されるときに設定されている電圧に関して、したがって、設定されているレンジエクステンダの動作ポイントに関しても、先行している。高電圧バッテリに印加される電圧は、高電圧バッテリの充電状態に大きく依存する。また、高電圧バッテリに印加される電圧は、例えば、高電圧バッテリが現在放電されている又は例えば回復に起因して充電されているかどうかにも依存し得る。
制御デバイスは、レンジエクステンダに関する起動信号を受信した後に、少なくとも１つの変量の高電圧バッテリ、好ましくは複数の量の高電圧バッテリを評価し、それに応じてレンジエクステンダの関連する動作ポイントを決定するようになっている。レンジエクステンダの決定された動作ポイントに基づいて、制御デバイスは、燃料電池ベースモジュール、したがってレンジエクステンダが確実に決定された動作ポイントにあることができるように必要とされる反応物質、すなわち、水素及び空気の供給量に関するそれぞれの設定値を規定することができる。これに関連して、本発明は、それぞれの燃料電池に至るまでのそれぞれの燃料電池ベースモジュールに対する反応物質の準備及び供給が特定の慣性を示すという知識に基づいている。これは、特に決定された動作ポイントに適合される燃料電池の動作温度の適切な設定にも当てはまる。それぞれの燃料電池内の反応は、それらの現在の温度に大きく依存する。特に、低い外気温では、燃料電池が非常に低い温度を有する場合があり、その温度は、レンジエクステンダが決定された動作ポイントに関していつでも使用できる状態にあるように、好ましい動作温度をはるかに下回る可能性がある。
レンジエクステンダが接続される前に、制御デバイスは、反応物質を用意してそれらをそれぞれの燃料電池ベースモジュールに供給するように設計されるシステムを制御することができる。また、システムは、特に冷却及び加熱のために、それぞれの燃料電池の温度を調整するように設計されてもよい。制御デバイスは、反応物質の供給量及び／又は動作温度に関するそれぞれの設定値に達した後にのみ、レンジエクステンダを接続するためにスイッチングデバイスを制御するように構成されている。
制御デバイスがステップを実行するように構成されているため、直流電圧コンバータを伴うことなくレンジエクステンダと高電圧バッテリとを並行して動作させることも問題なく可能である。制御デバイスは、態様でレンジエクステンダの動作ポイントを決定し、それに基づいて設定値を設定することができるため、制御デバイスは、反応物質を供給する及び／又は燃料電池の温度を調整するように設計されるシステムの適切な制御によって、遅くともレンジエクステンダを接続した時点で、レンジエクステンダに対応する反応物質が供給される及び／又はレンジエクステンダを損傷することなく決定された動作ポイントで動作させることができるようにレンジエクステンダが動作温度を有するようにすることができる。
したがって、レンジエクステンダが接続されてしまった後、いずれの場合にも、特に、それぞれの燃料電池に対する反応物質の少なくとも実質的に均一な供給を確保できるように、それぞれの燃料電池に十分な程度まで反応物質が供給されるようにすることができる。したがって、燃料電池内のそれぞれの反応は、燃料電池自体及び全レンジエクステンダに関しても少なくともほぼ同じように進行することができる。したがって、過度の応力及び場合によってはレンジエクステンダの損傷を確実に打ち消すことができる。加えて、レンジエクステンダは、それが接続されるとすぐに、結果としてレンジエクステンダが損傷を受けることなく、高電圧バッテリを十分に充電することができる。それぞれの燃料電池内の適切な動作温度を確保することにより、一方では高電圧バッテリが確実に充電され、他方ではレンジエクステンダが損傷を受けないように、燃料電池内の温度依存反応を行なうことができるべく確保することもできる。
また、制御デバイスは、例えば、１つ以上の量の高電圧バッテリに関する現在の実際のデータを使用して、レンジエクステンダの接続のための将来の時点におけるレンジエクステンダの関連する動作ポイントを決定する又は推定するようになっている。燃料電池内の必要な反応物質の量及び／又は必要な動作温度は、決定された動作ポイントに適合するように制御デバイスによって決定され得る。制御デバイスは、決定された動作ポイントに適合される反応物質の供給及び／又は燃料電池の温度の調整を設定し、それぞれの設定値に達したときにのみレンジエクステンダを接続させることができるため、レンジエクステンダを接続した直後に、特に簡単で問題なく、対象の電動自動車両のレンジ拡張をこのようにして達成できるようにすることができる
特に、レンジエクステンダが接続される時点で、レンジエクステンダに印加される電圧が少なくとも本質的に高電圧バッテリに印加される電圧に対応するようにすることができる。レンジエクステンダを接続するためのスイッチングデバイスが制御デバイスによって作動されると、直流電圧コンバータを伴わなくても、レンジエクステンダ及び高電圧バッテリが少なくとも本質的に同じ電圧レベルを有するようにされる。決定された動作ポイントにしたがって、特に燃料電池の適切な温度調節と事前に組み合わせて、それぞれの燃料電池内で反応物質を利用可能にすることにより、レンジエクステンダの電力出力は、レンジエクステンダが接続された直後の高電圧バッテリの充電要件に適合するように設定され得る。
本発明に係る回路装置は、直流電圧コンバータの節約に起因して又は省略に起因して、特に単純な構造、したがって、費用効果の高い構造を有する。制御デバイスの記載された特性に起因して、それにもかかわらず、必要に応じてレンジエクステンダを接続して、高電圧バッテリを充電し、したがって、対象の自動車両のレンジを拡張することが可能である。高電圧バッテリと比較した燃料電池に基づくレンジエクステンダの固有のシステム慣性は、良好な時間に反応物質を供給することによって及び／又は良好な時間、すなわち、レンジエクステンダが接続される前に燃料電池の適切な動作温度を設定することによって、補償され得る。したがって、レンジエクステンダは、それが接続される時点で、高電圧バッテリの現在の状態に適合される適切な動作ポイントで直接に動作され得る。これにより、特に、必要なときはいつでも、レンジエクステンダの過度の負荷及び／又は損傷を伴うことなく、レンジ拡張のためにレンジエクステンダを接続することができる。その結果、レンジエクステンダに関する起動信号が運転者による起動要求に基づいて生成されるのか又は自動的に生成されるのかは重要でない。
本発明の想定し得る実施形態は、制御デバイスが、燃料電池ベースモジュールに対する水素及び空気のそれぞれの体積流量を監視し、その後、体積流量が指定された設定値に対応するときにのみ、レンジエクステンダを接続するためにスイッチングデバイスを制御するようになっていることを提供する。言い換えると、反応物質に関する設定値は、個々の燃料電池ベースモジュールに対する水素及び空気のそれぞれの体積流量に関する設定値に関連することも想定し得る。制御デバイスには、燃料電池ベースモジュールに対する反応物質のそれぞれの瞬時の体積流量を特徴付ける対応するデータを、例えば既に述べたセンサデバイスによって供給することができる。例えば、このようにして、燃料電池ベースモジュールのインタフェースで直接に反応物質のそれぞれの体積流量を記録し、関連データを制御デバイスに提供することが可能である。体積流量が指定された設定値に対応することを制御デバイスが確立又は確認する場合にのみ、制御デバイスは、レンジエクステンダを接続するためのスイッチングデバイスをトリガする。したがって、燃料電池ベースモジュールの個々の燃料電池に対して、レンジエクステンダの決定された動作ポイントに適合される、レンジエクステンダが接続される時点で、十分な程度まで反応物質が供給されるようにすることが確実に可能である。
本発明の他の想定し得る実施形態は、制御デバイスが、燃料電池の実際の温度と燃料電池の動作温度に関して指定された設定値との間のそれぞれの差を決定するとともに、決定された差に応じて、レンジエクステンダの温度調整デバイスの流体の温度及び／又は体積流量を設定するようになっていることを提供する。温度調整デバイスは、燃料電池の温度を調整するように設計される前述のシステムの一部となり得る。前述のセンサデバイスは、例えば、燃料電池のそれぞれの実際の温度を測定し、関連データを制御デバイスに提供するように設計される個々のセンサを有してもよい。燃料電池の実際の温度と燃料電池の動作温度に関する指定された設定値との間のそれぞれの偏差を知ることにより、制御デバイスは、温度調整デバイスの流体を、例えば、燃料電池の動作温度に関する設定値に流体によって特に迅速に到達することができるような温度に調整することができる。更に、制御デバイスは、動作温度からのそれぞれの温度偏差に応じて、燃料電池の動作温度に特に迅速に達するように温度調整デバイスの流体の体積流量を設定するようになっていてもよい。燃料電池の通常好ましい動作温度は、例えば、６０℃の範囲内となり得る。燃料電池の実際の温度と動作温度の指定された設定値との間のそれぞれの差が特に高い場合、制御デバイスは、例えば、温度調整デバイスの流体を特に高い値に並びに体積流量に設定することができる。結果として、燃料電池の動作温度に特に迅速に到達することができ、それにより、起動信号が受信された後の特に早期にレンジエクステンダを接続することもできる。
本発明の更なる想定し得る実施形態によれば、制御デバイスが、高電圧バッテリの電圧に応じて、レンジエクステンダの動作ポイントを決定するようになっていることが提供される。本発明は、特に回路装置がレンジエクステンダと高電圧バッテリとの間に直流電圧コンバータを必要としないため、高電圧バッテリの電圧がレンジエクステンダの動作ポイントに大きな影響を及ぼすという知識に基づいている。高電圧バッテリの瞬時電圧を知ることにより、制御デバイスは、レンジエクステンダの関連する又は適切な動作ポイントを正確に決定することができる。これは、反応物質の供給及び準備及び／又は燃料電池の動作温度を、レンジエクステンダが接続される前の高電圧バッテリの現在の電圧レベルに正確に適合させることができるという事実をもたらす。
本発明の他の想定し得る実施形態は、制御デバイスが、高電圧バッテリの充電状態に応じて、レンジエクステンダの動作ポイントを決定するようになっていることを提供する。通常、高電圧バッテリに印加される電圧も、高電圧バッテリの充電状態に大きく依存する。したがって、直流電圧コンバータが省かれてしまっているため、レンジエクステンダの適切な動作ポイントを決定するために高電圧バッテリの充電状態を知ることが不可欠である。高電圧バッテリの充電状態は、例えば、高電圧バッテリの電圧を測定することによって決定され得る。
本発明の他の想定し得る実施形態は、制御デバイスが、高電圧バッテリの動作状態に応じて、レンジエクステンダの動作ポイントを決定する及び／又は設定値を規定するようになっていることを提供する。本発明は、高電圧バッテリが、通常の駆動モード中に、例えばそれらの電力出力又は電力消費に関して、並びに、例えば高電圧バッテリのそれぞれの温度に関して、多種多様な動作状態を有し得るという知識に基づいている。また、制御デバイスは、高電圧バッテリのそれぞれの動作状態を特徴付ける又は表わす多種多様な量を評価するようになっていてもよい。高電圧バッテリの動作状態を知ることにより、レンジエクステンダの適切な動作ポイントを決定すること、及び／又は、決定された動作ポイントに適合する設定値を規定すること、したがって、それらをレンジエクステンダが接続される前の良好な時間に設定することが特に確実に可能である。
本発明の更なる想定し得る実施形態によれば、制御デバイスが、高電圧バッテリの動作状態に関して、高電圧バッテリが放電又は充電されているか又はどれだけ放電又は充電されているかを決定するようになっていることが提供される。これに関連して、本発明は、高電圧バッテリに印加される電圧又はそれによって与えられる電圧が、高電圧バッテリが放電又は充電されているかどうかに大きく依存し得るという知識に基づいている。例えば、対象の自動車両が現在非常に大きく加速されている場合、高電圧バッテリは特に強力に放電され、その結果として、高電圧バッテリの電圧がそれに応じて低下し得る。例えば、運転者がアクセルペダルから足を離すと、回復によって高電圧バッテリを充電することができ、その結果、高電圧バッテリに利用可能な又は印加される電圧は、放電プロセスと比較して増大する可能性がある。したがって、制御デバイスは、高電圧バッテリが放電又は充電されているかどうか及びどの程度放電又は充電されているかを特徴付けるデータを受信する。これに基づいて、制御デバイスは、レンジエクステンダの関連する動作ポイントを特に確実に決定又は推定することができる。例えば、制御デバイスに対して、自動車両の現在の運転者の運転挙動を特徴付けるデータ及び／又は走行したばかりのルートプロファイルを提供することも可能である。このデータ又は情報を知ることにより、制御デバイスは、高電圧バッテリが将来放電又は充電されるかどうか及びどの程度放電又は充電されるかを予測的に決定又は推定することもできる。更に、制御デバイスには、設定値を得るのにかかる時間を特徴付けるデータを提供することができる。これらのデータ又は情報を組み合わせて、制御デバイスは、レンジエクステンダが接続される想定し得る時点について特に正確にレンジエクステンダの動作ポイントを決定又は推定することができ、その結果、この時点における設定値を特に適切に設定することができる。
本発明の更なる想定し得る実施形態では、制御デバイスが、自動車両のルートプロファイル及び／又は複数の自動車両のフリートプロファイルを特徴付けるデータに応じて、レンジエクステンダの動作ポイントを決定する及び／又は設定値を規定するようになっていることが提供される。前述のルートプロファイル及び／又はフリートプロファイルを使用して、例えば、制御デバイスが将来の時点に関して高電圧バッテリの異なる量がどのように変化するかを推定することが可能である。これに基づいて、制御デバイスは、レンジエクステンダの適切な又は関連する動作ポイントを特に確実に決定する及び／又は対応する関連する設定値を決定することができる。したがって、例えば、自動車両が現在走行しているルートの高さプロファイルを特徴付けるデータを制御デバイスに提供することが可能である。このようにすると、例えば、自動車両がルートに沿って高電圧バッテリから特に大量の電力を要求する可能性が最も高い時期又は例えば回復によって高電圧バッテリが充電される時期に関する情報を提供することができる。このデータ又は情報を知ることにより、レンジエクステンダの関連する動作ポイントを特に正確に推定することが可能になる。
本発明の更なる想定し得る実施形態によれば、制御デバイスが、自動車両の運転者の運転挙動を特徴付けるデータに応じて、レンジエクステンダの動作ポイントを決定する及び／又は設定値を決定するようになっていることが提供される。運転者の運転挙動を知ることにより、制御デバイスは、特に信頼性の高い態様で自動車両の電力要件を推定することが可能であり、したがって、高電圧バッテリ及び／又はレンジエクステンダに関する電力要件も推定することが可能である。このようにすると、制御デバイスは、レンジエクステンダが接続される時点においてレンジエクステンダの動作ポイントが何であるかを特に予測的に推定又は決定し、したがって、設定値及び／又は動作温度を設定することができる。
本発明の他の想定し得る実施形態は、制御デバイスが、反応物質に関する設定値を、レンジエクステンダの決定された動作ポイントに必要な量よりも指定された量だけ高く設定するようになっていることを提供する。これは、レンジエクステンダが接続されるときに常に十分な電力蓄積を有するようにする。例えば、レンジエクステンダを接続した後の自動車両の電力要件が、制御デバイスによって既に推定されたものよりも幾分大きいことが判明した場合、決定された動作ポイントに関する反応物質における設定値の過化学量論的設定は、依然としてレンジエクステンダに十分な電力を供給することができるとともに、高電圧バッテリの電圧レベルに対応する電圧レベルを維持又は示すことができる。
本発明の更なる想定し得る実施形態によれば、制御デバイスが、レンジエクステンダを接続した後、既に決定された動作ポイントをレンジエクステンダの実際に確立された動作ポイントと比較し、それに応じて、実際の動作ポイントと適合するように水素及び空気の供給量を調整するようになっていることが提供される。したがって、レンジエクステンダが接続された後早期に、必要に応じて、反応物質の供給量がレンジエクステンダの実際の動作ポイントに調整されるようにすることができる。
本発明の更なる想定し得る実施形態によれば、制御デバイスが、レンジエクステンダから高電圧バッテリに流れる電流を特徴付ける電流強度に基づいて、レンジエクステンダの実際の動作ポイントを決定するようになっていることが提供される。レンジエクステンダから高電圧バッテリに実際に流れる電流を使用して、レンジエクステンダの実際の動作ポイントを特に確実に決定することが可能である。
本発明の他の想定し得る実施形態は、制御デバイスが、燃料電池ベースモジュールの状態を決定し、それらの燃料電池ベースモジュールの状態に応じて、並列に接続された燃料電池ベースモジュールのそれぞれのグループに関して異なる設定値を指定するようになっていることを提供する。状態は、例えば、燃料電池ベースモジュールのそれぞれの温度及び／又はそれぞれの経年劣化状態を含むことができる。これに関連して、本発明は、燃料電池内で起こる反応に対して、したがって、それぞれの燃料電池の動作中の電圧推移に対しても温度が指数関数的な影響を及ぼすという知識に基づいている。これに関連して、本発明は、燃料電池、したがって、関連する燃料電池ベースモジュールのそれぞれの経年劣化状態が、性能、したがって、電圧推移にも大きな影響を及ぼすという知識にも基づいている。したがって、並列に接続された燃料電池ベースモジュールのそれぞれのグループは、レンジエクステンダが接続される前に、それらのそれぞれの状態に関して適切な量の反応物質が正確に供給され得る、及び／又は、それらの動作温度に関して、それらのそれぞれの状態で適切に温度調整され得る。したがって、並列に接続された燃料電池ベースモジュールのそれぞれのグループが、特にそれらの電圧に関して同じに設定されるようにすることができる。これは、個々の燃料電池に可能な限りストレスが加えられないようにするのに役立つ。
本発明の他の想定し得る実施形態は、レンジエクステンダが以下の式にしたがって設計されることを提供し、
Figure 0007202742000001
式中、
－ＺＢＺ、Ｒは、レンジエクステンダの直列接続された燃料電池全体の数を示し、
－ＺＢａｔ，Ｒは、高電圧バッテリの直列接続された全てのバッテリセルの数を示し、
－ＵＺ，Ｂａｔ，ｍｉｎは、動作中の高電圧バッテリの最小許容セル電圧を示し、
－ＵＺ、ＢＺ、ＶＬは、全負荷におけるセルレベルでの燃料電池動作電圧を示す。
上記の式に係るレンジエクステンダの設計は、燃料電池又はレンジエクステンダの電圧レベルが高電圧バッテリの電圧レベルを決して下回らないようにする。このことは、２つの電圧レベル、したがってレンジエクステンダ及び高電圧バッテリの電圧レベルが、前述の動作ポイント及び接続に関して互いに適合するようにされることを意味する。
本発明の他の想定し得る実施形態は、レンジエクステンダが以下の式にしたがって設計されることを提供し、
Figure 0007202742000002
式中、
－ＡＢＺは、レンジエクステンダの全ての燃料電池の反応面積を示し、
－ＰＭは、自動車両の平均指定電力要件を示し、
－ＺＢＺ、Ｒは、再びレンジエクステンダの直列接続された燃料電池全体の数を示し
－ＪＢＺ、ＭＥＡは、レンジエクステンダのそれぞれの膜－電極ユニットの最大許容電流密度を示す。
この式に係るレンジエクステンダの設計は、特に最初に述べられた他の式と併せて、燃料電池、したがってレンジエクステンダが、用途にとって大きすぎたり小さすぎたりせず、すなわち、自動車両の指定された平均電力要件に基づくようにする。ここでの焦点は、特に、電流が用途にとって十分であることをレンジエクステンダが確保し得るようにすることに当てられる。
本発明の他の想定し得る実施形態は、自動車両の平均指定電力要件が、自動車両の指定された運転プロファイルに関する自動車両のエンジン及び自動車両の少なくとも１つの補助コンシューマ、特に自動車両の空調装置の平均電力要件を含むことを提供する。指定された運転プロファイルに関しては、例えば、自動車両のエンジンの時間で変動する電力要件を特徴付けるデータを記憶することができ、この場合、制御デバイスは、例えば、このデータに基づいて、指定された運転プロファイルを考慮することができるように、自動車両のエンジンの平均電力要件を決定することができる。加えて、特に自動車両の空調装置の形態の自動車両の二次コンシューマの少なくとも１つの電力要件も考慮に入れることができる。これに関して、制御デバイスには、例えば、自動車両の空調装置の電力要件に関する平均化されたデータを提供することができ、これに基づいて、制御デバイスは、運転中に空調装置によって自動車両を加熱又は冷却する必要があるかどうかを推定することができる。これは地域差に影響を受け得る。例えば、レンジエクステンダは、例えばスカンジナビア又は南ヨーロッパなどの異なる気候帯で使用される車両モデルに関して異なるように設計され得る。特に、自動車両を冷却しなければならない場合、例えば、レンジエクステンダからの廃熱をこのために使用できないため、空調装置に対する電力要件が増大する。例えば、特にエネルギーを大量消費する、エンジンの平均電力要件及び自動車両の少なくとも１つの二次コンシューマの電力要件を知ることにより、レンジエクステンダの設計は、水素レンジエクステンダの全ての燃料電池の必要な反応面積に関して特に適切に設計され得る。このようにすると、対象の電動車両のレンジの拡張に寄与することができるように、レンジエクステンダが大きすぎたり小さすぎたりしないようにすることができる。
本発明に係る電動自動車両は、本発明に係る回路装置又は本発明に係る回路装置の有利な実施形態を備える。
本発明に係る回路装置又は回路装置の想定し得る実施形態を動作させるための本発明に係る方法において、回路装置の制御デバイスは、それがレンジエクステンダに関する起動信号を受信してしまった後に、以下のステップ、すなわち、
－高電圧バッテリの少なくとも１つの量に応じてレンジエクステンダの動作ポイントを決定するステップと、
－決定された動作ポイントに基づいて燃料電池ベースモジュールに対する反応物質の供給量及び／又は燃料電池の動作温度に関連するそれぞれの設定値を規定するステップと、
－それぞれの規定された設定値に対応して反応物質を供給する及び／又は燃料電池の温度を調整するように設計されるシステムを制御するステップと、
－反応物質の供給量及び／又は動作温度に関連するそれぞれの設定値に達した後にのみ、レンジエクステンダを接続するためにスイッチングデバイスを制御するステップと、
を実行する。
本発明に係る回路配置の想定し得る実施形態は、本発明に係る方法の想定し得る実施形態とみなされるべきであり、逆もまた同様であり、回路配置は、特に方法ステップを実行するための手段を有する。
以下の図を参照して、本発明の更なる想定し得る利点、特徴、及び、実施形態について説明する。本発明の範囲から逸脱することなく、明細書本文において前述した特徴及び特徴の組み合わせ、並びに、図の説明及び／又は図のみにおいて以下に示される特徴及び特徴の組み合わせは、それぞれ特定の組み合わせだけでなく、他の組み合わせ又は単独でも使用することができる。
複数の燃料電池が直列に接続されて空気を供給するためのコンプレッサが割り当てられる燃料電池ベースモジュールの概略斜視図である。 グループに組み合わされて直列に接続されるとともにこれらのグループの幾つかが並列に相互接続される複数の燃料電池ベースモジュールの概略図である。 電動自動車両の電装系のための回路装置の概略図であり、回路装置は、燃料電池ベースモジュールから形成される並列接続の改良型のレンジエクステンダと、高電圧バッテリとを備える。 回路装置を有する電動自動車両の概略図である。 経時的な自動車両の瞬時電力要件及び自動車両の平均電力要件が概略的に示される図である。 自動車両の高電圧バッテリの充電状態の経過を示す図である。 レンジエクステンダに関してレンジエクステンダの電圧及び電力出力のそれぞれの曲線が概略的に示される図である。
図において、同一又は機能的に同一の要素には同じ参照番号が付される。
図１には、燃料電池ベースモジュール１０が非常に概略的な態様で斜視図で示される。燃料電池ベースモジュール１０は、直列に接続されてこれ以上詳細に示されない複数の燃料電池のスタックとも呼ばれるパイル１２を備える。燃料電池は、それぞれのバイポーラプレート及びそれぞれのいわゆる膜電極ユニットを備える。また、燃料電池ベースモジュール１０は、第１のエンドプレート１４及び第２のエンドプレート１６も備え、これらのエンドプレート間にスタック１２が配置される。
更に、燃料電池ベースモジュール１０は、水素及び空気を供給するとともに水及び残留ガスを除去するためのここには示されない複数のインタフェースを備える。第１のエンドプレート１４のみが全てのインタフェースを有する一種のプラグアンドプレイフロントエンドを形成するようにしてもよい。燃料電池ベースモジュール１０には、空気、したがって酸素を個々の燃料電池に搬送する役割を果たす空気コンプレッサ１８も割り当てられる。しかしながら、この図とは対照的に、空気コンプレッサ１８が燃料電池ベースモジュール１０上に直接に配置される必要はない。代わりに、空気コンプレッサ１８が対象の自動車両内の設置中に燃料電池ベースモジュール１０とは全く異なるポイントに配置されるようにすることもできる。空気コンプレッサ１８が適切な導管又は配管を介して空気、したがって酸素を燃料電池ベースモジュール１０に搬送できることのみが保証されなければならない。
図２には、複数の燃料電池ベースモジュール１０が示される。異なる電力及び／又は電圧を供給するために、異なる数の燃料電池ベースモジュール１０は、異なる直列及び／又は並列回路で電気的に相互接続され得るとともに、それぞれの改良型のレンジエクステンダを形成するためにここに示されない媒体供給デバイスを伴って構成され得る。ここに示されない媒体供給デバイスは、それぞれの燃料電池ベースモジュール１０に言及されたインタフェースを介して空気及び水素を供給するとともにインタフェースを介してそれぞれの燃料電池ベースモジュール１０から水及び残留ガスを排出するように設計される。
この場合、直列に相互接続される燃料電池ベースモジュール１０の複数のグループ１９が概略的に示されている。例えば、それぞれのグループ１９ごとに、非常に多くの燃料電池ベースモジュール１０を直列に相互接続することができるため、燃料電池ベースモジュールは例えば４８０Ｖの電圧及び２４ｋＷの電力を供給することができる。勿論、他の相互接続も可能である。個々のグループ１９を並列に接続することにより、電圧を同じに保ちつつ供給され得る電力を増大させることができる。原則として、個々の燃料電池ベースモジュール１０の対応する相互接続によって、それぞれの用途ごとに電力の任意のスケーリングが可能である。
個々の燃料電池ベースモジュール１０は、例えば、約１００ｃｍ２の反応面積及び８０個の個々の燃料電池を有することができる。他の面積及び数も想定し得る。例えば、それぞれの燃料電池ベースモジュール１０が８０Ｖの開回路電圧及び全負荷下で４８Ｖの電圧を供給でき、その場合、例えば２～８ｋＷの範囲の電力を供給するように燃料電池ベースモジュール１０を設計できることが想定し得る。特に個々の燃料電池ベースモジュール１０内の選択又は設置された膜電極ユニットに応じて、他の電圧及び電力も可能である。
とりわけ、燃料電池ベースモジュール１０は全て、それらの構成要素に関して同じ構造を有するようにすることができる。したがって、燃料電池ベースモジュール１０は、あらゆる場所に同じ構成要素が設置される高度に標準化されたユニットを形成する。これにより、相応に低い購入コスト及び生産コストで、規模の経済性を高めることが可能になる。そのため、個々の燃料電池ベースモジュール１０並びに言及された媒体供給デバイスが共にモジュール式レンジエクステンダシステム２０を形成し、この場合、境界条件又は用途に応じて、標準化された燃料電池ベースモジュール１０を多種多様な形態で相互接続できる。燃料電池ベースモジュール１０はそれぞれそれら自体のコントローラを有することができ、例えば、これらは、特定形態の改良型のレンジエクステンダのための共通のハードウェアで実行され得る。
図３には、電動自動車両のこれ以上詳細に示されない電装系のための回路装置２４が非常に概略的に示される。回路装置２４は、モジュール式レンジエクステンダシステム２０に基づく所定の改良型のレンジエクステンダ２２を備える。更に、回路装置２４は、関連する自動車両の駆動装置２８にエネルギーを供給するための高電圧バッテリ２６を備える。駆動装置２８に割り当てられる周波数コンバータ３０も概略的に示される。高電圧バッテリ２６及びレンジエクステンダ２２は、並列回路の形態の直流電圧コンバータを伴うことなく相互接続され、この場合、レンジエクステンダ２２は、高電圧バッテリ２６を充電するように設計される。
レンジエクステンダ２２と高電圧バッテリ２６との間の導電接続を確立及び分離するためのスイッチングデバイス３２も回路装置２４の一部である。スイッチングデバイス３２は、例えば、ＭＯＳＦＥＴ、トランジスタ、又は、機械的リレーであってもよい。安全素子として、１つ以上の還流ダイオード３４を設けることもできる。回路装置２４は直流電圧コンバータを有さないため、設置スペース及び対応するコストを節約できる。それに対応して適切な予測調整又は制御により、レンジエクステンダ２２が接続されるときにそれにもかかわらず損傷されないようにすることができる。
また、回路装置２４は制御デバイス３６も備える。制御デバイス３６は、レンジエクステンダ２２が高電圧バッテリ２６に導電的に接続されるように、レンジエクステンダ２２を接続するべくスイッチングデバイス３２を動作させるように構成及び設計される。更に、制御デバイス３６は、レンジエクステンダ２２と高電圧バッテリ２６との間の導電接続が切断されるようにスイッチングデバイス３２を作動させることもできる。更に、反応物質を供給するとともにレンジエクステンダ２２の燃料電池の温度を調整するためのセンサデバイス３８及びシステム４０が概略的に示される。センサデバイス３８及びシステム４０は、回路装置２４に属する必要はないが、部分的又は全体的に回路装置２４の一部となり得る。
制御デバイス３６は、レンジエクステンダ２２に関する起動信号を受信した後に、以下のステップ、すなわち、
－高電圧バッテリ２６の少なくとも１つの量に応じてレンジエクステンダ２２の動作ポイントを決定するステップと、
－決定された動作ポイントに基づいて、レンジエクステンダ２２の燃料電池ベースモジュール１０（ここに示されない）に対する反応物質、すなわち、水素及び空気の供給量、及び／又は、レンジエクステンダ２２ ２２の燃料電池の動作温度に関する設定値を規定するステップと、
－それぞれの規定された設定値に対応して反応物質を供給する及び／又は燃料電池の温度を調整するように設計されるシステム４０を制御するステップと、
－反応物質の供給量及び／又は動作温度に関するそれぞれの設定値に達した後にのみ、レンジエクステンダ２２を接続するためにスイッチングデバイス３２を制御するステップと、
を実行するようになっている。
反応物質に関しては、例えば、レンジエクステンダ２２の燃料電池ベースモジュール１０に対する水素及び空気のそれぞれの体積流量を指定することができる。制御デバイス３６は、これらの体積流量を監視することができ、その後にのみ、それに応じて、体積流量が指定の設定値に対応するときに、スイッチングデバイス３２を切り換えて、レンジエクステンダ２２を接続する。システム４０は、例えば、水素及び空気の体積流量を監視して関連データを制御デバイス３６に送信するように設計されるここに示されない複数のセンサを有することができる。これらのデータに基づいて、制御デバイス３６は、燃料電池の実際の温度と燃料電池の動作温度に関する規定された設定値との間のそれぞれの差を決定することができ、決定された差に応じて、レンジエクステンダ２２の温度調整デバイス（ここには示されない）の流体の温度及び／又は体積流量を設定することができる。例えば、燃料電池のそれぞれの実際の温度と燃料電池の動作温度に関して規定された設定値との間の差が特に大きいと制御デバイス３６が決定する場合、制御デバイス３６は、例えば、温度調整デバイスの流体に関して特に高い体積流量を設定する、及び／又は、流体を特に高い温度まで加熱することができる。これにより、燃料電池の動作温度に関する設定値を特に迅速にもたらすことが可能になる。
制御デバイス３６は、例えば、高電圧バッテリ２６の電圧に応じて、レンジエクステンダ２２の動作ポイントを決定することができる。また、制御デバイス３６は、例えば、高電圧バッテリ２６の充電状態に応じても、レンジエクステンダ２２の動作ポイントを決定することができる。回路装置２４は、レンジエクステンダ２２と高電圧バッテリ２６との間の任意の電圧差を補償できる直流電圧コンバータを有さないため、レンジエクステンダ２２が接続される前に高電圧バッテリ２６の電圧を知ることは非常に重要である。センサデバイス３８は、例えば、高電圧バッテリ２６の電圧を測定し、これに基づいて高電圧バッテリ２６の現在の充電状態を決定して、関連データを制御デバイス３６に送信することができる。
また、制御デバイス３６は、レンジエクステンダ２２が接続される前にレンジエクステンダ２２の動作ポイントを決定するために、高電圧バッテリ２６の動作状態を決定することもできる。高電圧バッテリ２６の動作状態に関して、制御デバイス３６は、例えば、
高電圧バッテリ２６が現在放電されているか又は充電されているか及びどの程度放電されているか又は充電されているかどうかを決定することができる。センサデバイス３８は、例えば、対応するデータ又は情報を制御デバイス３６に提供することができる。例えば回復に起因して高電圧バッテリ２６が現在充電されている場合、高電圧バッテリ２６に印加される電圧は、高電圧バッテリ２６が電力を供給するために放電されている場合とは異なる。したがって、レンジエクステンダ２２を接続する前に、特に瞬間的な放電又は充電に関して、高電圧バッテリ２６のそれぞれの動作状態を知ることも重要となり得る。これに基づいて、制御デバイス３６は、依然としてレンジエクステンダ２２が接続される前に、高電圧バッテリ２６の動作状態に合わせて、レンジエクステンダ２２の動作ポイントを決定する及び／又は設定値を規定することができる。
制御デバイス３６には、回路装置２４が設置される自動車両のルートプロファイル及び／又は複数の自動車両のフリートプロファイルを特徴付けるデータを供給することもできる。このデータに基づいて、制御デバイス３６は、高電圧バッテリ２６がこれまでどのように使用されてきたか及び／又は高電圧バッテリが将来、特に充電又は放電される可能性が高いときにどのように使用されるかを評価することができる。このデータを知ると、制御デバイス３６は、同様に、レンジエクステンダ２２の適合する動作ポイントを決定する及び／又は設定値を規定することができる。自動車両のルートプロファイルに関するデータは、例えば、ここには示されない自動車両のナビゲーションデバイスによって制御デバイス３６に供給され得る。このルートプロファイルを知ることにより、例えば、同じルートを走行した車両の更なるフリートプロファイルを検索することができる。フリートプロファイルからのデータに基づいて、制御デバイス３６は、高電圧バッテリ２６がいつどのように充電及び放電される可能性が高いかを更により正確に推定することができる。
加えて、制御デバイス３６には、回路装置２４が設置される関連する自動車両の運転者の運転挙動を特徴付けるデータを供給することもできる。運転者の運転挙動を特徴付けるこれらのデータに基づいて、制御デバイス３６は、同様に、レンジエクステンダ２２の動作ポイントを決定する及び／又は設定値を規定することができる。運転者の運転挙動を知ることにより、特に、運転者の将来の運転挙動を推定することが可能であり、これは、高電圧バッテリ２６がどれだけ放電及び／又は回復されるかに大きく依存し得る。
また、制御デバイス３６は、供給されるべき反応物質及び／又は燃料電池の動作温度に関する設定値を、レンジエクステンダ２２の決定された動作ポイントに必要な量よりも指定された量だけ高く設定することができる。したがって、反応物質に関して、制御デバイス３６は、レンジエクステンダ２２が接続された後に決定された動作ポイントに必要な反応物質よりも多くの反応物質が利用可能になるように、レンジエクステンダ２２が接続される時点における過化学量論的仕様を選択することができる。また、燃料電池の動作温度は、燃料電池内で生じる反応が決定された動作ポイントに必要とされるよりも速く起こり得るように、幾分高くなるように選択することもできる。これは、レンジエクステンダ２２が、必要に応じて、高電圧バッテリ２６を充電するためにその場限りのより多くの電力をこれが必要であれば供給できるように、ある種のバッファをもたらす。
スイッチングデバイス３２の適切な起動によってレンジエクステンダ２２が接続されてしまった後、制御デバイス３６は、既に決定された動作ポイントをレンジエクステンダ２２の実際に確立された動作ポイントと比較し、それに応じて、実際の動作ポイントに適合するとように反応物質の供給量を調整することができる。例えば、制御デバイス３６は、レンジエクステンダ２２から高電圧バッテリ２６に流れる電流を特徴付ける電流強度に基づいて、レンジエクステンダ２２の実際の動作ポイントを決定することができる。レンジエクステンダ２２が接続されてしまった後、制御デバイス３６は、レンジエクステンダ２２の実際に設定する動作ポイントを維持することができるように、また、反応物質が供給されすぎることなく、非常に迅速に、特に反応物質の供給量を調整又は設定することもできる。
また、制御デバイス３６は、燃料電池ベースモジュール１０の状態を決定し、それらの燃料電池ベースモジュール１０の状態に応じて、並列に接続された燃料電池ベースモジュール１０のそれぞれのグループ１９（図２参照）に関して異なる設定値を定めることもできる。これは、レンジエクステンダ２２が接続される前に再び行なわれる。燃料電池ベースモジュール１０の状態に関して、制御デバイス３６は、例えば、レンジエクステンダ２２の燃料電池ベースモジュール１０のそれぞれの温度及び／又はそれぞれの経年劣化状態を考慮に入れることができる。特に、燃料電池のそれぞれの温度は、燃料電池内の反応、したがってそれらの電圧推移に非常に強い影響を及ぼす。
図４には、電動自動車両４２が概略的に示される。回路装置２４の一部も概略的に示される。前述の複数の空気コンプレッサ１８も概略的に示される。空気コンプレッサ１８は、関連する又は構成された改良型のレンジエクステンダ２２の個々の燃料電池ベースモジュール１０（図示せず）に割り当てられる。対応するチャネル又は導管を介して、空気コンプレッサ１８は、吸引された空気を個々の燃料電池ベースモジュール１０に搬送することができる。既に述べたように、空気コンプレッサ１８は、燃料電池ベースモジュール１０上に直接に配置される必要がない。代わりに、空気コンプレッサ１８は、自動車両４２内の他の適切な位置に、特に空間条件がそれを特に良好に許容すると同時に周囲空気を空気コンプレッサ１８によって特に良好に吸引できる場所に配置され得る。
個々の燃料電池ベースモジュール１０は、好ましい車両の重心及び好ましいパッケージングを考慮して、自動車両４２内の他の場所に配置され得る。個々の空気コンプレッサ１８は、例えばコンプレッサモジュールの形態で組み合わせられ得る。レンジエクステンダ２２の形態に応じて、とりわけレンジエクステンダ内に設置される燃料電池ベースモジュール１０の数に応じて、使用されるべき空気コンプレッサ１８の数が変化し得る。空気コンプレッサ１８の数は、燃料電池ベースモジュール１０の数に正確に対応する。
図５には、時間ｔにわたる自動車両４２の瞬時電力要件Ｐ、並びに、自動車両４２の平均電力要件ＰＭが概略的に示される図が示される。自動車両４２の瞬時電力要件Ｐは、例えば、駆動装置２８の電力要件、並びに、自動車両４２の１つ以上の補助的なコンシューマを含んでもよい。二次コンシューマは、例えば、自動車両の空調装置、すなわち、例えば、空調システム、インフォテインメントシステム、又は、自動車両４２を駆動するために直接に使用されない任意の他のコンシューマであってもよい。したがって、平均電力要件ＰＭは、駆動装置２８の純電力要件だけでなく、例えば、自動車両４２の全ての二次コンシューマの全ての電力要件も含む。平均電力要件ＰＭを知ることは、レンジエクステンダ２２を設計するために使用され得る。レンジエクステンダ２２は、以下の式にしたがって設計され得る。
Figure 0007202742000003
式中、
－ＡＢＺは、レンジエクステンダ２２の全ての燃料電池の反応面積を示し、
－ＰＭは、自動車両４２の平均指定電力要件を示し、
－ＪＢＺ、ＭＥＡは、レンジエクステンダ２２のそれぞれの膜－電極ユニットの最大許容電流密度を示す。
したがって、レンジエクステンダ２２の全ての燃料電池の反応面積ＡＢＺは、レンジエクステンダ２２のそれぞれの膜電極ユニットの平均電力要件ＰＭ及び指定最大許容電流密度ＪＢＺ、ＭＥＡを考慮して設計され得る。
これに加えて又は代えて、レンジエクステンダ２２は、以下の式にしたがって設計されてもよい。
Figure 0007202742000004
式中、
－ＺＢＺ、Ｒは、レンジエクステンダ２２の直列接続された燃料電池全体の数を示し、
－ＺＢａｔ，Ｒは、高電圧バッテリ２６の直列接続された全てのバッテリセルの数を示し、
－ＵＺ，Ｂａｔ，ｍｉｎは、動作中の高電圧バッテリ２６の最小許容セル電圧を示し、
－ＵＺ、ＢＺ、ＶＬは、全負荷におけるセルレベルでの燃料電池動作電圧を示す。
レンジエクステンダ２２の直列接続された全ての燃料電池の数ＺＢＺ，Ｒは、高電圧バッテリ２６の直列接続された全てのバッテリセルの数ＺＢａｔ，Ｒと、動作時の高電圧バッテリ２６の最低許容セル電圧ＵＺ，Ｂａｔ，ｍｉｎと、セルレベルに設定された燃料電池動作電圧ＵＺ，ＢＺ，ＶＬとに応じた式にしたがって算出される。結果として、レンジエクステンダ２２は、高電圧バッテリ２６に特によく適合されるように設計され得る。とりわけ、これは、レンジエクステンダ２２が接続されるときにレンジエクステンダが高電圧バッテリ２６と少なくともほぼ同じ電圧レベルを確実に与えることができるとともに高電圧バッテリを十分な程度まで充電することもできるようにし得る。
前述した２つの式にしたがってレンジエクステンダ２２を設計することによって、レンジエクステンダ２２が大きすぎたり小さすぎたりしないようにすることもできる。
図６には、高電圧バッテリ２６の充電状態ＳｏＣのプロファイルが時間ｔにわたって示される図が示される。ここに概略的に示される場合には、例えば、高電圧バッテリ２６が多かれ少なかれ連続的に放電されることが想定され得る。当然ながら、例えば、高電圧バッテリ２６が回復によって及び／又はレンジエクステンダ２２を接続することによって充電されるとき、充電状態ＳｏＣも動作中に再び増大し得る。また、レンジエクステンダ２２を接続するのに適し得る想定し得る領域Ｂが概略的に示される。
図７には、レンジエクステンダ２２が接続されるときに、レンジエクステンダ２２から高電圧バッテリ２６に流れる電流ＩＲＥＸを介した、レンジエクステンダ２２の電圧ＵＲＥＸ及び高電圧バッテリ２６に対するレンジエクステンダ２２の電力出力ＰＲＥＸの各曲線がプロットされる図が示される。レンジエクステンダ２２を接続するための領域Ｂが再び概略的に示される。直流電圧コンバータを伴わない高電圧バッテリ２６に対するレンジエクステンダ２２の並列接続に起因して、レンジエクステンダ２２が接続される際、レンジエクステンダ２２の電圧ＵＲＥＸと高電圧バッテリ２６の電圧Ｕとが自動的に互いに適合する。
本図に基づいて、レンジエクステンダ２２がいつ接続されるかに応じて、高電圧バッテリ２６に対するレンジエクステンダ２２の電力出力ＰＲＥＸがどのように変化し得るかが分かる。言い換えると、ここに示される図は、レンジエクステンダ２２の異なる想定し得る動作ポイントを示す。ひいては、レンジエクステンダ２２のこの動作ポイントは、既に前述したように、高電圧バッテリ２６の異なる量に大きく依存する。したがって、レンジエクステンダ２２を接続する前に、制御デバイス３６が、既に説明した態様で、可能な限り多くの量の高電圧バッテリ２６に応じてレンジエクステンダ２２の動作ポイントを正確に決定又は推定することが重要である。決定された動作ポイントに応じて、レンジエクステンダ２２の燃料電池ベースモジュール１０に対する反応物質の供給量及び／又はレンジエクステンダ２２の燃料電池の動作温度に関する設定値が規定される。制御デバイス３６によってシステム４０を適切に制御することにより、レンジエクステンダ２２が接続される時点で、レンジエクステンダ２２を既に決定された動作ポイントで直ちに動作させることができるように、レンジエクステンダに十分な反応物質が供給され、及び／又は、レンジエクステンダが必要な動作温度を有するようにすることができる。これは、このとき、スイッチングデバイス３２が、反応物質の供給量及び／又は燃料電池の動作温度に関するそれぞれの設定値に達してしまったときにのみ、制御デバイス３６によってレンジエクステンダ２２を接続するように起動されるからである。
レンジエクステンダ２２と高電圧バッテリ２６との間に直流電圧コンバータが存在しないため、レンジエクステンダ２２が接続される時点で、レンジエクステンダ２２が、可能な限り正確に既に決定された動作ポイントで動作できるように利用可能な十分な反応物質を有することが重要である。例えば、レンジエクステンダ２２が接続されてしまった後、レンジエクステンダ２２内にホットスポットが生じること及び／又はレンジエクステンダ２２が高電圧バッテリ２６を充電するのに十分な電力を供給できないことが防止され得る。
制御デバイス３６は、それが記載された態様で特に正確に接続される前にレンジエクステンダ２２の動作ポイントを推定又は決定するため、レンジエクステンダをそれが接続されてしまった後に特に穏やかに動作させることができる。制御デバイス３６の記載された手順を伴わなければ、直流電圧コンバータ及び高電圧バッテリ２６に対する並列接続がないため、僅かな接続動作後にレンジエクステンダ２２が損傷する可能性が非常に高い。これは、前述の手順によって防止することができる。したがって、レンジエクステンダ２２を使用して、直流電圧コンバータがなくても自動車両４２のレンジを拡張することが可能である。
１０ 燃料電池ベースモジュール
１２ 直列に接続された燃料電池スタック
１４ 第１のエンドプレート
１６ 第２のエンドプレート
１８ 空気コンプレッサ
１９ 直列に接続された燃料電池ベースモジュールのグループ
２０ モジュール式レンジエクステンダシステム
２２ 改良型のレンジエクステンダ
２４ 回路装置
２６ 高電圧バッテリ
２８ 駆動装置
３０ 周波数コンバータ
３２ スイッチングデバイス
３４ 還流ダイオード
３６ 制御デバイス
３８ センサデバイス
４０ 反応物質を供給して燃料電池の温度を制御するためのシステム
４２ 自動車両
ＡＢＺ レンジエクステンダの全ての燃料電池の反応面積
Ｂ レンジエクステンダを接続する範囲
ＩＲＥＸ レンジエクステンダから高電圧バッテリに流れる電流
ＪＢＺ，ＭＥＡ レンジエクステンダのそれぞれの膜電極ユニットの最大許容電流密度
Ｐ 自動車両の瞬時電力要件
ＰＭ 自動車両の平均指定電力要件
ＰＲＥＸ 高電圧バッテリに対するレンジエクステンダの電力出力
ＳｏＣ 高電圧バッテリの充電状態
ｔ 時間
Ｕ 高電圧バッテリの電圧
ＵＲＥＸ レンジエクステンダの電圧
ＵＺ，Ｂａｔ，ｍｉｎ 動作中の高電圧バッテリの最小許容セル電圧
ＵＺ，ＢＺ，ＶＬ 全負荷時のセルレベルでの燃料電池動作電圧
ＺＢａｔ，Ｒ 高電圧バッテリの直列に接続されたバッテリセル全体の数
ＺＢＺ，Ｒ レンジエクステンダの直列に接続された燃料電池全体の数

Claims (19)

  1. 電動自動車両（４２）の電装系のための回路装置（２４）であって、
    －前記自動車両（４２）の電動の駆動装置（２８）にエネルギーを供給するための高電圧バッテリ（２６）と、
    －前記高電圧バッテリ（２６）を充電するように設計され、直列に接続された複数の燃料電池と水素及び空気の形態で反応物質を供給するためのインタフェースとをそれぞれが有する複数の同一の燃料電池ベースモジュール（１０）を有する、レンジエクステンダ（２２）と、
    －並列回路の形態で直流電圧コンバータを伴うことなく前記高電圧バッテリ（２６）と前記レンジエクステンダ（２２）とを導電態様で相互接続するように設計される、前記レンジエクステンダ（２２）を接続するためのスイッチングデバイス（３２）と、
    －前記レンジエクステンダ（２２）に関連する起動信号を受信した後に、以下のステップ、すなわち、
    ・前記高電圧バッテリ（２６）の少なくとも１つの量に応じて前記レンジエクステンダ（２２）の動作ポイントを決定するステップと、
    ・前記決定された動作ポイントに基づいて前記燃料電池ベースモジュール（１０）に対する前記反応物質の供給量及び／又は前記燃料電池の動作温度に関連する設定値を規定するステップと、
    ・前記設定値が前記反応物質の供給量に関連する場合、前記規定された設定値に対応する前記反応物質を供給するように設計されたシステム（４０）を制御し、前記設定値が前記動作温度に関連する場合、前記規定された設定値にしたがって前記燃料電池の温度を制御するように設計されたシステム（４０）を制御するステップと、
    ・前記設定値が前記反応物質の供給量にのみ関連する場合には、前記反応物質の供給量に関連する前記設定値に達した後にのみ、前記レンジエクステンダ（２２）を接続するために前記スイッチングデバイス（３２）を制御するステップと、
    ・前記設定値が前記動作温度にのみ関連する場合には、前記動作温度に関連する前記設定値に達した後にのみ、前記レンジエクステンダ（２２）を接続するために前記スイッチングデバイス（３２）を制御するステップと、
    ・前記設定値が前記反応物質の供給量及び前記動作温度に関連する場合には、前記反応物質の供給量及び／又は前記動作温度に関連する前記設定値に達した後にのみ、前記レンジエクステンダ（２２）を接続するために前記スイッチングデバイス（３２）を制御するステップと、
    を実行するように構成されている制御デバイス（３６）と、
    を備える回路装置（２４）。
  2. 前記制御デバイス（３６）は、前記燃料電池ベースモジュール（１０）に対する水素及び空気のそれぞれの体積流量を監視し、その後、前記体積流量が指定された設定値に対応するときにのみ、前記レンジエクステンダ（２２）を接続するための前記スイッチングデバイス（３２）を制御するように構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の回路装置（２４）。
  3. 前記制御デバイス（３６）は、前記燃料電池の実際の温度と前記燃料電池の動作温度に関して規定された前記設定値との間のそれぞれの差を決定するとともに、前記決定された差に応じて、前記レンジエクステンダ（２２）の温度調整デバイスの流体の温度及び／又は体積流量を設定するように構成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の回路装置（２４）。
  4. 前記制御デバイス（３６）は、前記高電圧バッテリ（２６）の電圧に応じて、前記レンジエクステンダ（２２）の動作ポイントを決定するように構成されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の回路装置（２４）。
  5. 前記制御デバイス（３６）は、前記高電圧バッテリ（２６）の充電状態に応じて、前記レンジエクステンダ（２２）の動作ポイントを決定するように構成されていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の回路装置（２４）。
  6. 前記制御デバイス（３６）は、前記高電圧バッテリ（２６）の動作状態に応じて、前記レンジエクステンダ（２２）の動作ポイントを決定する及び／又は前記設定値を規定するように構成されていることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の回路装置（２４）。
  7. 前記制御デバイス（３６）は、前記高電圧バッテリ（２６）の前記動作状態に関して、前記高電圧バッテリ（２６）が放電又は充電されているか及びどれだけ放電又は充電されているかを決定するように構成されていることを特徴とする、請求項６に記載の回路装置（２４）。
  8. 前記制御デバイス（３６）は、前記自動車両（４２）のルートプロファイル及び／又は複数の自動車両（４２）についての複数車両運転プロファイルを特徴付けるデータに応じて、前記レンジエクステンダ（２２）の前記動作ポイントを決定する及び／又は前記設定値を規定するように構成されていることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の回路装置（２４）。
  9. 前記制御デバイス（３６）は、前記自動車両（４２）の運転者の運転挙動を特徴付けるデータに応じて、前記レンジエクステンダ（２２）の動作ポイントを決定する及び／又は前記設定値を規定するように構成されていることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の回路装置（２４）。
  10. 前記制御デバイス（３６）は、前記反応物質に関する前記設定値を、前記レンジエクステンダ（２２）の前記決定された動作ポイントに必要な量よりも指定された量だけ高く設定するように構成されていることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の回路装置（２４）。
  11. 前記制御デバイス（３６）は、前記レンジエクステンダ（２２）が接続された後に、以前に決定された動作ポイントを前記レンジエクステンダ（２２）の実際に設定された動作ポイントと比較し、それに応じて、設定されている実際の動作ポイントに適合する水素及び空気の供給量を調整するように構成されていることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載の回路装置（２４）。
  12. 前記制御デバイス（３６）は、前記レンジエクステンダ（２２）から前記高電圧バッテリ（２６）に流れる電流を特徴付ける電流強度に基づいて、設定されている前記レンジエクステンダ（２２）の実際の動作ポイントを決定するように構成されていることを特徴とする、請求項１１に記載の回路装置（２４）。
  13. 前記制御デバイス（３６）は、前記燃料電池ベースモジュール（１０）の状態を決定し、それらの燃料電池ベースモジュール（１０）の状態に応じて、並列に接続された燃料電池ベースモジュール（１０）のそれぞれのグループに関して異なる設定値を指定するように構成されていることを特徴とする、請求項１から１２のいずれか一項に記載の回路装置（２４）。
  14. 前記状態は、前記燃料電池ベースモジュール（１０）のそれぞれの温度及び／又はそれぞれの経年劣化状態を含むことを特徴とする、請求項１３に記載の回路装置（２４）。
  15. 前記レンジエクステンダ（２２）が以下の式、
    Figure 0007202742000005
    にしたがって設計されており、
    式中、
    －ＺＢＺ，Ｒは、前記レンジエクステンダ（２２）の直列接続された燃料電池全体の数を示し、
    －ＺＢａｔ，Ｒは、前記高電圧バッテリ（２６）の直列接続された全てのバッテリセルの数を示し、
    －ＵＺ，Ｂａｔ，ｍｉｎは、動作中の前記高電圧バッテリ（２６）の最小許容セル電圧を示し、
    －ＵＺ，ＢＺ，ＶＬは、全負荷におけるセルレベルでの燃料電池動作電圧を示している、
    ことを特徴とする、請求項１から１４のいずれか一項に記載の回路装置（２４）。
  16. 前記レンジエクステンダ（２２）が以下の式、
    Figure 0007202742000006
    にしたがって設計されており、
    式中、
    －ＡＢＺは、前記レンジエクステンダ（２２）の全ての燃料電池の反応面積を示し、
    －ＰＭは、前記自動車両（４２）の平均指定電力要件を示し、
    －ＪＢＺ，ＭＥＡは、前記レンジエクステンダ（２２）のそれぞれの膜－電極ユニットの最大許容電流密度を示している、
    ことを特徴とする、請求項１から１５のいずれか一項に記載の回路装置（２４）。
  17. 前記自動車両（４２）の前記平均指定電力要件（ＰＭ）は、前記自動車両（４２）の指定された運転プロファイルに関する前記自動車両（４２）の前記エンジン（２８）及び前記自動車両（４２）の少なくとも１つの補助コンシューマ、特に前記自動車両（４２）の空調装置の平均電力要件を含むことを特徴とする、請求項１６に記載の回路装置（２４）。
  18. 請求項１から１７のいずれか一項に記載の回路装置（２４）を有する電動自動車両（４２）。
  19. 請求項１から１７のいずれか一項に記載の回路装置（２４）を動作させるための方法であって、前記回路装置（２４）の前記制御デバイス（３６）が、それが前記レンジエクステンダ（２２）に関連する起動信号を受信した後に、以下のステップ、すなわち、
    －前記高電圧バッテリ（２６）の少なくとも１つの量に応じて前記レンジエクステンダ（２２）の動作ポイントを決定するステップと、
    －前記決定された動作ポイントに基づいて前記燃料電池ベースモジュール（１０）に対する前記反応物質の供給量及び／又は前記燃料電池の動作温度に関連する設定値を規定するステップと、
    －前記設定値が前記反応物質の供給量に関連する場合、前記規定された設定値に対応する前記反応物質を供給するように設計されたシステム（４０）を制御し、前記設定値が前記動作温度に関連する場合、前記規定された設定値にしたがって前記燃料電池の温度を制御するように設計されたシステム（４０）を制御するステップと、
    －前記設定値が前記反応物質の供給量にのみ関連する場合には、前記反応物質の供給量に関連する前記設定値に達した後にのみ、前記レンジエクステンダ（２２）を接続するために前記スイッチングデバイス（３２）を制御するステップと、
    －前記設定値が前記動作温度にのみ関連する場合には、前記動作温度に関連する前記設定値に達した後にのみ、前記レンジエクステンダ（２２）を接続するために前記スイッチングデバイス（３２）を制御するステップと、
    －前記設定値が前記反応物質の供給量及び前記動作温度に関連する場合には、前記反応物質の供給量及び／又は前記動作温度に関連する前記設定値に達した後にのみ、前記レンジエクステンダ（２２）を接続するために前記スイッチングデバイス（３２）を制御するステップと、
    を実行する、方法。
JP2021561641A 2019-04-18 2020-04-16 電動自動車両の車両電気システムのための回路装置及びこのタイプの回路装置を動作させるための方法 Active JP7202742B2 (ja)

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