DE112008003004B4

DE112008003004B4 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zur Verringerung des Stroms derselben

Info

Publication number: DE112008003004B4
Application number: DE112008003004.9T
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Imanishi; Kota Manabe; Tomoya Ogawa
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-11-26
Filing date: 2008-11-17
Publication date: 2019-04-25
Anticipated expiration: 2028-11-18
Also published as: US9184456B2; CN101790814B; WO2009069492A1; JP4320686B2; US20100248055A1; JP2009129783A; CN101790814A; DE112008003004T5

Abstract

Brennstoffzellensystem (10), aufweisend eine Brennstoffzelle (20) mit einer Vielzahl an Zellen, und das einen Ablauf zur Verringerung eines Versorgungsstroms (I₁) durchführt, der einer Last zuzuführen ist, mittels Durchführung einer Kompensationsberechnung bezüglich eines System-Anforderungsstroms (I₀), der einer System-Anforderungsleistung (Preq) entspricht, die, basierend auf der niedrigsten Zellenspannung (Vm) in den Zellen, von dem System (10) angefordert wird,
wobei die Kompensationsberechnung durch eine PI-Kompensation zur Verringerung des Versorgungsstroms (I₁) durchgeführt wird, unter Verwendung eines Referenzwerts als den Stromwert des System-Anforderungsstroms (I₀) zu dem Zeitpunkt wenn die niedrigste Zellenspannung (Vm) unter einen vorbestimmten Wert einer zulässigen Mindestzellenspannung (103) fällt,
wobei sich Werte zur Verstärkung in der PI-Kompensation zur Verringerung des Versorgungsstroms (I₁) von Werten zur Verstärkung in der PI Kompensation zur Erhöhung des Versorgungsstroms (I₁) unterscheiden.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, die eine Vielzahl an Zellen aufweist, und insbesondere einen Ablauf zur Verringerung bzw. Begrenzung eines Stroms und einen Ablauf zur Erhöhung bzw. Wiederherstellung eines Stroms, während ein Systemanforderungsstrom gesteuert wird.
Hintergrund der Erfindung
Unter den Brennstoffzellen, die zur Erzeugung elektrischer Leistung eine elektrochemische Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff nutzen, sind Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen im Allgemeinen bekannt. Die Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle weist einen Stapel auf, der aus einer Vielzahl gestapelter Zellen aufgebaut ist. Die Zellen, die den Stapel bilden, umfassen eine Anode (Brennstoffelektrode) und eine Kathode (Luftelektrode), und eine feste Elektrolyt-Membran, die eine Sulfonsäuregruppe als Ionentauschergruppe aufweist, ist zwischen Anode und Kathode eingefügt.
Ein Brennstoffgas, das ein Wasserstoffgas (mit Wasserstoff angereicherter abgespalteter Wasserstoff, der durch Abspalten von Wasserstoffgas oder Wasserkohlenstoff gewonnen wird) enthält, wird der Anode zugeführt, während ein sauerstoffhaltiges Gas (Sauerstoffgas), z.B. Luft, als Oxidationsmittel der Kathode zugeführt wird. Nach der Zufuhr des Brennstoffgases zur Anode reagiert der im Brennstoffgas enthaltene Wasserstoff mit einem Katalysator in einer Katalysatorschicht, die die Anode bildet, wobei Wasserstoffionen gebildet werden. Die erzeugten Wasserstoffionen durchlaufen die feste Polymer-Elektrolyt-Membran und reagieren elektrisch mit dem Sauerstoff in der Kathode. Somit wird durch die elektrochemische Reaktion elektrische Leistung erzeugt.
In einer Situation, in der eine Brennstoffzelle eingesetzt wird, die eine Vielzahl an Zellen aufweist, wird selbst dann, wenn nur eine der Vielzahl an Zellen untauglich zur Erzeugung elektrischer Leistung wird, die gesamte Brennstoffzelle untauglich zur Erzeugung elektrischer Energie. Unter diesen Umständen hat z.B. die JP 2003 - 187842 A eine Erfindung vorgeschlagen, bei der die Spannung jeder einzelnen Zelle gemessen wird, und der Betrag der elektrischen Leistung, der von dem Brennstoffzellenstapel abgegeben werden kann, wird in Bezug auf die niedrigste Zellenspannung, die den niedrigsten Betrag der gemessenen Zellenspannungen aufweist, berechnet, während die Brennstoffzelle eine elektrische Energie erzeugt, die entsprechend oder kleiner gleich dem Betrag der elektrischen Leistung ist die abgegeben werden kann, sodass, selbst wenn die Leistung einer beliebigen Zelle nachlässt, der Brennstoffzellenstapel in einem geeigneten Betriebszustand entsprechend dem Nachlassen der Leistung der Zelle betrieben werden kann.
Zudem hat die JP 2005-197008 A eine Erfindung vorgeschlagen, bei der ein Ziel-Strom-Begrenzungswert festgesetzt wird, zur Begrenzung des Leistungserzeugung-Stroms, welcher der Brennstoffzelle in Übereinstimmung mit der niedrigsten Zellenspannung VLOW zu entnehmen ist, und bei welchem der Strombegrenzungswert durch den Zielstrombegrenzungswert ersetzt wird, wenn die Differenz zwischen einem aktuellen Strombegrenzungswert und dem Strom der Leistungserzeugung, unter einem vorbestimmten Wert liegt.
Jedoch steigt bei einem herkömmlichen Brennstoffzellensystem ein Systemanforderungsstrom, der die Referenz der Begrenzungsberechnung darstellt, in der Brennstoffzelle an, wenn die von der Brennstoffzelle zu erzeugende elektrische Leistung gesteuert wird, oder ein Versorgungsstrom, der einer Last zuzuführen ist, aus bestimmten Umständen begrenzt wird, und das Brennstoffzellensystem könnte gegebenenfalls nicht mehr in der Lage sein, Arbeitsabläufe zur Begrenzung der zu erzeugenden Leistung oder des Versorgungsstroms durchzuführen. Ein mögliches Beispiel würde eine Situation sein, bei der in einem Fahrzeug, das mit einem solchen Brennstoffzellensystem ausgestattet ist, eine zu erzeugende Leistung oder ein Versorgungsstrom begrenzt wird, wenn der Fahrer versucht, das Fahrzeug zu beschleunigen. Wenn die zu erzeugende Leistung oder der Versorgungsstrom begrenzt wird, fühlt sich das für den Fahrer so an, als ob die Ausgangsleistung des Motors unzureichend ist, und er führt eine Betätigung wie beispielsweise ein weiteres Durchtreten des Gaspedals durch. Als Ergebnis des infolge der Betätigung ansteigenden Systemanforderungsstroms steigt auch die zu erzeugende Leistung oder die Versorgungsleistung an, und erforderliche Abläufe zur Begrenzung sind folglich nicht durchführbar.
Ebenso wurde bislang, obwohl ein Unterschied zwischen dem Ansprechverhalten, das in Strombegrenzungsabläufen zur Herabsetzung des Versorgungsstroms erforderlich ist, und dem Ansprechverhalten, das in Stromwiederherstellungsabläufen zum Anheben des begrenzten Versorgungsstroms erforderlich ist, besteht, in herkömmlichen Brennstoffzellensystemen ein einheitliches Ansprechverhalten eingesetzt, ohne dabei den Unterschied zu berücksichtigen. Mit anderen Worten, wenn eine der Zellenspannungen unter den Wert einer zulässigen Mindestzellenspannung fällt, wird der Stromwert eines aktuellen Versorgungssstroms begrenzt. Dann wird der begrenzte Zustand aufrechterhalten, bis die entsprechende Zellenspannung ansteigt und solcherweise einen zulässigen Wert erreicht, und nachdem die Zellenspannung einen solchen zulässigen Wert erreicht, wird der Versorgungsstrom entsprechend dem Systemanforderungsstrom wiederhergestellt. Zu diesem Zeitpunkt ist ein Strombegrenzungsablauf erforderlich, um einen Strom schnell zu begrenzen; allerdings kann, da der Stromwiederherstellungsablauf unter Verwendung des selben Ansprechverhaltens wie in dem Strombegrenzungsablauf gesteuert wurde, während des Stromwiederherstellungsablaufs ein Überschuss in dem Versorgungsstrom auftreten. Andererseits ist zu erwarten, dass das Ansprechverhalten während dem Strombegrenzungsablauf mangelhaft sein wird, wenn das Ansprechverhalten eingesetzt wird, das nicht zu einem Überschuss in dem Stromwiederherstellungsablauf führt.
Aus der DE 100 56 843 B4 ist ferner ein Verfahren zum Regeln eines Brennstoffzellensystems, um eine vorgegebene Wärmemenge zu erzeugen, bekannt, wobei das Brennstoffzellensystem elektrische Energie erzeugt, die vom Brennstoffzellensystem an ein Energieversorgungsnetz übertragen wird. Die minimale Zellenspannung des Brennstoffzellensystems wird ausgewählt, und die Rate, mit der die elektrische Energie in das Energieversorgungsnetz übertragen wird, wird auf der Grundlage der minimalen Zellenspannung geregelt. Die DE 11 2008 001 661 B4 offenbart ferner ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, die eine Mehrzahl von Zellen aufweist, und betrifft insbesondere das Steuern des Stromes, wenn eine Systemanforderung nach elektrischer Leistung gesteuert wird. Das Brennstoffzellensystem der Die DE 11 2008 001 661 B4 umfasst insbesondere eine Stromerfassungseinheit zum Erfassen eines Stromes der Zelle; eine Spannungserfassungseinheit zum Erfassen einer Zellspannung einer jeden Zelle; und eine Steuerberechnungseinheit zur PI-Kompensation eines gemäß einer Systemanforderung nach elektrischer Leistung, die vom System angefordert wurde, angeforderten Stromes, basierend auf einer Minimal-Zellspannung, die von der Zellspannungserfassungseinheit erfasst wird, wobei die Steuerberechnungseinheit eine Proportionalverstärkung für die PI-Kompensation des angeforderten Stromes basierend auf einem anliegenden Brennstoffzellenstromwert ändert.
Kurzfassung der Erfindung
Vor dem Hintergrund der Probleme der oben genannten herkömmlichen Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, das es ermöglicht, einen Systemanforderungsstrom in jedem Betriebszustand sicher zu begrenzen, und das es ebenso ermöglicht, einem Versorgungsstrom ein schnelles Ansprechverhalten zu verleihen, wenn der Strom begrenzt wird, während dem Versorgungsstrom ein stabiles Annähern ermöglicht wird, wenn der Strom wiederhergestellt wird.
Um die oben genannte Aufgabe zu lösen, umfasst ein Brennstoffzellensystem gemäß eines Aspekts der vorliegenden Erfindung nach Anspruch 1 eine Brennstoffzelle mit einer Vielzahl an Zellen, und führt einen Ablauf zur Verringerung eines Versorgungsstroms durch, der einer Last zuzuführen ist, mittels Durchführung einer Kompensationsberechnung bezüglich eines Systemanforderungsstroms, der einer Systemanforderungsleistung entspricht, die, basierend auf der niedrigsten Zellenspannung in den Zellen, von dem System angefordert wird, wobei die Kompensationsberechnung durch eine PI-Kompensation zur Verringerung des Versorgungsstroms I₁ durchgeführt wird, unter Verwendung eines Referenzwerts als den Stromwert des Systemanforderungsstroms I₀ zu dem Zeitpunkt, wenn die niedrigste Zellenspannung unter einen vorbestimmten Wert einer zulässigen Mindestzellenspannung fällt, wobei sich Werte zur Verstärkung in der PI-Kompensation zur Verringerung des Versorgungsstroms I₁ von Werten zur Verstärkung in der PI-Kompensation zur Erhöhung des Versorgungsstroms unterscheiden.
Mit einer derartigen Anordnung wird, wenn die niedrigste Zellenspannung in den Zellen unter eine vorbestimmte zulässige Mindestzellenspannung fällt, zu diesem Zeitpunkt der Systemanforderungsstrom als Referenzwert verwendet, um die PI Kompensation durchzuführen, und ein Ansteigen der Systemanforderungsleistung in Zusammenhang mit einem Abnehmen des Versorgungsstroms während dem Stromverringerungsablauf kann demzufolge unterdrückt werden, wodurch ein zuverlässiger Stromverringerungsablauf realisiert werden kann. Z. B. wird selbst dann, wenn ein Fahrer einen Strombegrenzungszustand für einen Mangel der Ausgangsleistung hält und ein Gaspedal in einem Fahrzeug, das mit dem Brennstoffzellensystem ausgestattet ist, durchtritt, der Grenzwert zur Berechnung des Versorgungsstroms auf den Stromwert des Zeitpunkts zu Beginn des Stromverringerungsablaufs festgelegt, und der Strom kann demzufolge sicher verringert bzw. begrenzt werden, bis die Zellenspannung wiederhergestellt ist.
Ebenso kann mit einem derartigen Aufbau, durch Abstimmung der Verstärkungen während der Verringerung des Versorgungsstroms und den Verstärkungen während der Erhöhung, auf einen entsprechend geeigneten Zustand, eine schnelle Verringerung des Stroms gewährleistet werden, während das Auftreten eines Überschusses bei einer Annäherung des Versorgungsstroms unterdrückt werden kann.
Bei einem Brennstoffzellensystem gemäß des oben genannten Aspekts wird bevorzugt, dass ein Stromwert des begrenzten Versorgungsstroms aufrecht erhalten wird, bis sich die geänderte Zielausgangsspannung stabilisiert hat, wenn die Zielausgangsspannung der gesamten Brennstoffzelle während des Stromverringerungsablaufs geändert wird, und dass der Stromverringerungsablauf danach erneut gestartet wird.
In einem Brennstoffzellensystem wird mitunter die Zielausgangsspannung der Brennstoffzelle in Übereinstimmung mit dem Betriebszustand geändert. Durch Verwendung des oben genannten Aufbaus kann verhindert werden, dass die Begrenzung des Stroms durch die PI-Kompensation, in der Zeit in der sich die Zielausgangsspannung ändert, unstabil wird, wodurch eine stabile Steuerung zur Einstellung des Versorgungsausgangsstroms auf den Zielstromwert durch die Brennstoffzelle realisiert wird.
Zudem wird in dem Brennstoffzellensystem gemäß dem oben stehenden Aspekt bevorzugt, dass der Stromverringerungsablauf gestoppt wird, wenn alle Zellenspannungen über der zulässigen Mindestzellenspannung liegen und der Stromwert des Systemanforderungsstroms unter den Stromwert des begrenzten Versorgungsstroms fällt.
Mit einem derartigen Aufbau kann jeder mögliche Nachteil, der in einem Brennstoffzellensystem entstehen könnte, sicher vermieden werden, insofern der Stromverringerungsablauf, der den Stromerhöhungsablauf umfasst, nur gestoppt wird, nachdem die Zellenspannungen entsprechend gleich oder höher dem Wert der zulässigen Mindestzellenspannung wiederhergestellt sind und der Versorgungsstrom wiederhergestellt ist.
Das Brennstoffzellensystem gemäß des oben stehenden Aspekts umfasst ebenso: einen Zellenspannungsmesser zur Messung der Zellenspannung jeder einzelnen Zelle in der Brennstoffzelle; und eine Steuerungsberechnungseinheit zur Durchführung einer PI-Kompensation bezüglich des Systemanforderungsstroms basierend auf der niedrigsten Zellenspannung, die durch die von dem Zellenspannungsmesser gemessenen Zellenspannungen erhalten wird, in dem: die Steuerungsberechnungseinheit einen Kompensationswert ΔI zur Verringerung des Versorgungsstroms basierend auf dem Verhältnis Kp * ΔV + Ki * ΣΔV berechnet, wobei ΔV eine Abweichung zwischen der zulässigen Mindestzellenspannung und der niedrigsten Zellenspannung angibt, Kp eine proportionale Verstärkung angibt, und Ki eine integrale Verstärkung angibt; und sich sowohl die proportionale Verstärkung Kp als auch die integrale Verstärkung Ki zur Verringerung des Versorgungsstroms von der proportionalen Verstärkung Kp und der integralen Verstärkung Ki zur Erhöhung des Versorgungsstroms unterscheiden.
Mit einem derartigen Aufbau wird die PI-Kompensationsberechnung unter Verwendung der Abweichung ΔV zwischen dem Wert der zulässigen Mindestzellenspannung und der niedrigsten Zellenspannung als Variable, unter Verwendung der proportionalen Verstärkung Kp als Koeffizient der P-Steuerung, und unter Verwendung der integralen Verstärkung Ki als Koeffizient der I-Steuerung, dann durchgeführt, wenn die niedrigste Zellenspannung unter den Zellenspannungen unter den Wert der zulässige Mindestzellenspannung fällt.
In der Zeit, zwischen dem Zeitabschnitt in dem der Versorgungsstrom verringert bzw. begrenzt wird und dem Zeitabschnitt in dem der Versorgungsstrom erhöht bzw. wiederhergestellt wird, werden die proportionale Verstärkung Kp und die integrale Verstärkung Ki geändert, sodass entsprechend geeignete Zustände erreicht werden, und demzufolge das Ansprechverhalten in der Weise verbessert werden kann, dass der Strom während der Strombegrenzungsperiode schnell geändert werden kann, während ein schnelles Wiederherstellen des Stroms unterdrückt wird, um einen Überschuss während der Stromwiederherstellungsperiode zu unterdrücken.
Ebenso sind in dem Brennstoffzellensystem gemäß dem oben genannten Aspekt die Verstärkungen in der PI-Kompensation zur Erhöhung des Versorgungsstroms kleiner als die Verstärkungen in der PI-Kompensation zur Verringerung des Versorgungsstroms.
Mit einem derartigen Aufbau kann der Strom, unter Verwendung großer Verstärkungen zur PI-Kompensation während der Strombegrenzungsperiode, schnell begrenzt werden, solange der Strom derart wiederhergestellt wird, dass das Auftreten eines Überschusses, unter Verwendung kleiner Verstärkungen zur PI-Kompensation während der Stromwiederherstellungsperiode, unterdrückt wird, wodurch eine verbesserte Steuerung zur Einstellung des Versorgungsstroms auf den Zielstromwert bereitgestellt wird, der von der Brennstoffzelle abgegeben wird.
Figurenliste

1 ist eine Darstellung des Systemaufbaus das ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
2 ist ein Blockschaltbild das ein Steuergerät darstellt.
3 ist ein Kennliniendiagramm das ein Kennfeld der zulässigen Mindestzellenspannung darstellt.
4 ist ein Zeitdiagramm zur Erläuterung des Betriebs in Strombegrenzungsabläufen.
5 ist ein Flussdiagramm zur Erläuterung der Abläufe des Steuergeräts.

Beste Art und Weise zur Ausführung der Erfindung
1 ist eine Darstellung des Systemaufbaus die ein Brennstoffzellensystem darstellt, auf die sich die vorliegende Erfindung bezieht.
In 1 umfasst ein Brennstoffzellensystem 10: ein Brennstoffgasversorgungssystem 4 zur Versorgung einer Brennstoffzelle 20 mit Brennstoffgas (Wasserstoffgas); ein Oxidationsgasversorgungssystem 7 zur Versorgung der Brennstoffzelle 20 mit Oxidationsgas (Luft); ein Kühlmittelversorgungssystem 3 zur Kühlung der Brennstoffzelle 20; ein Leistungssystem 9 zur Aufladung und Entladung der von der Brennstoffzelle 20 erzeugten Leistung.
Die Brennstoffzelle 20 umfasst eine Membran-Elektroden-Einheit (MEA) 24, die durch Ausbildung einer Anode 22 und einer Kathode 23 mittels Filmdruck auf den entsprechenden Seiten einer Polymer-Elektrolyt-Membran 21, die aus einer protonenleitfähigen Ionentauscher-Membran, wie z. B. einem Fluororesin gebildet wird, bereitgestellt wurde. Beide Seiten der Membran-Elektrolyt-Einheit 24 sind im Sinne einer Sandwich-Anordnung von einem Separator (nicht dargestellt) umgeben, diese weisen jeder einen Strömungsweg für das Brennstoffgas, Oxidationsgas und Kühlmittel auf, und eingelassene Anodengaskanäle 25 und eingelassene Kathodengaskanäle 26 sind entsprechend zwischen dem Separator und der Anode 22 ebenso wie zwischen dem Separator und der Kathode 23 ausgebildet. An der Anode 22 ist eine Brennstoff-Elektroden-Katalysatorschicht vorgesehen, die auf einer porösen Trägerschicht vorgesehen ist, während an der Kathode 23 eine Luft-Elektroden-Katalysatorschicht vorgesehen ist, die auf einer porösen Trägerschicht vorgesehen ist. Die Katalysatorschichten dieser Elektroden werden z. B. durch Anhaften von Platinpartikeln an diesen gebildet. H₂→2H⁺+2e^- (1) (1/2)O₂+2H⁺+2e^-→H₂O (2) H₂+(1/2)O₂→H₂O (3)
Es ist zu beachten, dass obwohl in 1 zum Zwecke der Erläuterung ein Aufbau einer Einheitszelle schematisch dargestellt ist, der die Membran-Elektroden-Einheit 24, einen Anodengaskanal 25 und einen Kathodengaskanal 26 umfasst, die Brennstoffzelle tatsächlich einen Stapelaufbau umfasst, der eine Vielzahl an Einheitszellen (Zellengruppe) aufweist, die durch die oben stehend beschriebenen Separatoren in Serie verbunden ist.
An dem Kühlmittelsystem 3 des Brennstoffzellensystems 10 ist ein Kühlmittelweg 31 zur Zirkulation des Kühlmittels vorgesehen, ein Temperatursensor 33 zur Messung der Temperatur des Kühlmittels das aus der Brennstoffzelle 20 abfließt, ein Kühlrippenkörper (Wärmetauscher) 33 zur Abstrahlung der Wärme des Kühlmittels zur Außenseite, ein Ventil 34 zur Dosierung einer Menge des Kühlmittels, das in dem Kühlrippenkörper 33 eingeleitet wird, eine Kühlmittelpumpe 35 zur Druckbeaufschlagung und Zirkulation des Kühlmittels, ein Temperatursensor 36 zur Messung der Temperatur des Kühlmittels das an der Brennstoffzelle 20, und dergleichen, bereitgestellt wird.
In dem Brennstoffgasversorgungssystem 4 des Brennstoffzellensystems 10 sind angeordnet: eine Vorrichtung zur Versorgung mit Brennstoffgas 42 zur Speicherung von Brennstoffgas (Anodengas), z.B. ein Wasserstoffgas; ein Brennstoffgasströmungsweg 40, um das Brennstoffgas von der Vorrichtung zur Versorgung mit Brennstoffgas 42 an dem Anodengaskanal 25 bereitzustellen; und ein Zirkulations-Strömungsweg (Zirkulationsweg) 51 zur Zirkulation der Brennstoffabgase, die von dem Anodengaskanal 25 zu dem Brennstoffgasströmungsweg 40 ausgeleitet werden, diese Gasströmungswege bilden das Brennstoffgaszirkulationssystem.
Die Vorrichtung zur Versorgung mit Brennstoffgas 42 wird z. B. gebildet durch einen Hochdruck-Wasserstofftank, eine Wasserstoffabsorbierende Legierung oder ein Reformer. An dem Brennstoffgasströmungsweg 40 ist vorgesehen: ein Schließventil (Hauptventil) 43 zur Steuerung des Ausströmens des Brennstoffgases aus der Vorrichtung zur Versorgung mit Brennstoffgas 42; ein Drucksensor 44 zur Messung des Drucks des Brennstoffgases; ein Regulierungsventil (Ausstoßvorrichtung) 45 zur Regulierung des Brennstoffgasdrucks des Zirkulationswegs 51; und ein Schließventil 46 zur Steuerung der Brennstoffgasversorgung an der Brennstoffzelle 20.
An dem Zirkulationsströmungsweg 51 ist vorgesehen: ein Schließventil 52 zur Steuerung der Brennstoffabgasversorgung der Brennstoffzelle 20 an dem Zirkulationsströmungsweg 51; ein Gas-Flüssig-Abscheider 53 und ein Entlüftungsventil 54 zur Ableitung von Feuchtigkeit, die in dem Brennstoffabgas enthalten ist; eine Wasserstoffpumpe (Zirkulationspumpe) 55 zur Kompression des Brennstoffabgases, das während des Durchlaufens des Anodengaskanals 25 an Druck verloren hat, sodass der Gasdruck auf einen geeigneten Druck ansteigt und das Brennstoffabgas in den Brennstoffgasströmungsweg 40 zurückgeführt wird; und ein Rückschlagventil 56, um das Brennstoffgas in den Brennstoffgasströmungsweg 40 vor dem Zurückfließen in den Zirkulationsströmungsweg 51 zu hindern. Durch Antreiben der Wasserstoffpumpe 55 mit einem Motor, wird das Brennstoffabgas mit dem Wasserstoffgas, das aus der Vorrichtung zur Versorgung mit Wasserstoffgas 42 zugeführt wird, in Folge des Antriebs der Wasserstoffpumpe 55 in dem Brennstoffgasströmungsweg 40 verbunden, und wird dann zur Wiederverwendung der Brennstoffzelle 20 zugeführt. Es ist zu beachten, dass an der Wasserstoffpumpe 55 vorgesehen ist: ein Drehzahlsensor 57 zur Messung der Drehzahl der Wasserstoffpumpe 55; und Drucksensoren 58 und 59 zur Messung des Drucks des Zirkulationswegs vor und nach der Wasserstoffpumpe 55.
Ebenso ist in dem Zirkulationsströmungsweg 51 ein Abgasströmungsweg 61 angeordnet, um das Brennstoffabgas, das aus der Brennstoffzelle 20 ausgeleitet wurde, über einen Verdünner (z. B. eine Vorrichtung zur Senkung der Wasserstoffkonzentration) 62, der derart angeordnet ist, dass der Abgasströmungsweg 61 von dem Zirkulationsströmungsweg abzweigt, zur Außenseite hin aus dem Fahrzeug auszuleiten. An dem Abgasströmungsweg 61 ist ein Ablassventil 63 vorgesehen und es ist derart ausgestaltet, dass es eine Steuerung des Ausströmens des Brennstoffabgases ermöglicht. Durch Öffnen oder Schließen des Ablassventils 63 zum Wiederholen der Zirkulation in der Brennstoffzelle 20 kann der Abgasströmungsweg 61 das Brennstoffabgas, in dem die Konzentration an Verunreinigungen gestiegen ist zur Außenseite hin ablassen, und kann frisches Brennstoffgas einleiten, um dadurch ein Sinken der Zellenspannung zu verhindern. Darüber hinaus kann der Abgasströmungsweg 61 einen Impuls auf den inneren Druck des Zirkulationsströmungsweg 51 erzeugen und Feuchtigkeit, die sich in dem Gasströmungsweg angesammelt hat, entfernen.
Indessen sind in dem Oxidationsgasversorgungssystem 7 des Brennstoffzellensystems 10 ein Oxidationsgasströmungsweg 71, zur Zufuhr von Oxidationsgas (Kathodengas) an dem Kathodengaskanal 26, und ein Kathodenabgasströmungsweg 72, zum Ausleiten des Kathodenabgases, das aus den Kathodenabgaskanal 26 ausgeleitet wurde, angeordnet. An dem Oxidationsgasströmungsweg 71 ist vorgesehen: ein Luftreiniger 74 zum Einleiten von Luft aus der Atmosphäre; und ein Luftkompressor 75 zum Komprimieren der eingeleiteten Luft und zum Befördern der komprimierten Luft als Oxidationsgas zu dem Kathodengaskanal 26. An dem Luftkompressor 75 ist ein Drucksensor 73 zur Messung des Drucks der Luftversorgung durch den Luftkompressor 75 vorgesehen. Ein Befeuchter 76 zur Durchführung eines Feuchtigkeitsaustauschs ist zwischen dem Oxidationsgasströmungsweg 71 und dem Kathodenabgasströmungsweg 72 vorgesehen. An dem Kathodenabgasströmungsweg 72 ist ein Druckregulierungsventil 75 zur Regulierung des Ausströmungsdrucks des Kathodenabgasströmungswegs 72, ein Gas-Flüssig-Abscheider 64 zur Entfernung von Feuchtigkeit die in dem Kathodenabgas enthalten ist, und ein Schalldämpfer 65 zum Absorbieren von Abgasgeräuschen des Kathodenabgases vorgesehen. Das aus dem Gas-Flüssig-Abscheider ausgeleitete Kathodenabgas wird abgezweigt, und ein Teil des abgezweigten Kathodenabgases strömt in den Verdünner 62 und wird mit dem Brennstoffabgas vermischt, das sich in dem Verdünner 62 befindet, um verdünnt zu werden, während der andere Teil des abgezweigten Kathodenabgases durch den Schalldämpfer 65 absorbiert wird, mit dem Gas vermischt wird, das durch den Verdünner 62 vermischt und verdünnt wurde, und dann zur Außenseite aus dem Fahrzeug ausgeleitet wird.
Das Leistungssystem 9 des Brennstoffzellensystems 10 ist verbunden mit: einem DC-DC Wandler 90, an dessen primärer Seite ein Ausgangsanschluss einer Batterie 91 angeschlossen ist und an dessen sekundärer Seite ein Ausgangsanschluss der Brennstoffzelle 20 angeschlossen ist; der Batterie 91 zur Speicherung von überschüssiger Leistung als Sekundärbatterie; einem Batterie-Rechengerät 92 zur Überwachung des Ladezustands der Batterie 91; einem Wechselrichter 93 zur Bereitstellung einer Wechselstromleistung an einen Fahrzeugantriebsmotor 94, der als Verbraucher oder als anzutreibendes Ziel der Brennstoffzelle 20 dient; einem Wechselrichter 95, zur Bereitstellung einer Wechselstromleistung an verschiedenen Hochdruck-Hilfsvorrichtungen 96 in dem Brennstoffzellensystem 10; einem Spannungsmesser 97, zum Messen einer Ausgangsspannung an der Brennstoffzelle 20; und einem Stromsensor 98, zur Messung eines Ausgangsstroms.
Zudem ist die Brennstoffzelle 20 mit einer Zellen-Überwachungs-Einrichtung 101 zum Messen der Spannung in jeder einzelnen Zelle der Brennstoffzelle 20 verbunden. Die Zellen-Überwachungs-Einrichtung 101 ist derart ausgestaltet, dass es die Zellenspannungen jeder einzelnen Zelle und des Weiteren die niedrigste Zellenspannung misst, welche die Zellenspannung ist, die den niedrigsten Wert unter den Zellenspannungen aufweist. Die Zellen-Überwachungs-Einrichtung 101 übernimmt in der vorliegenden Erfindung die Funktion der Messung der niedrigsten Zellenspannung.
Der DC-DC Wandler 90 führt für den Fahrzeugantriebsmotor 94 eine Spannungsumwandlung bezüglich der überschüssigen Leistung der Brennstoffzelle 20 oder einer regenerativen Leistung, die aus einem Bremsvorgang resultiert, durch, und stellt die Leistung an der Batterie 91 bereit, um die Batterie 91 zu laden. Ebenso führt der DC-DC Wandler 90 eine Spannungsumwandlung bezüglich einer Entladeleistung der Batterie 91 durch, um einen Engpass der erzeugten Leistung der Brennstoffzelle 20 bezüglich der Leistung die der Fahrzeugantriebsmotor 94 benötigt zu kompensieren, und gibt die Leistung an die sekundäre Seite ab.
Die Wechselrichter 93 und 95 wandeln einen direkten Strom in einen dreiphasigen Drehstrom um, und geben den umgewandelten Strom jeweils an den Fahrzeugantriebsmotor 94 und die Hochdruck-Hilfsvorrichtungen 96 ab. An dem Fahrzeugantriebsmotor 94 ist ein Drehzahlsensor 99 zur Messung der Drehzahl des Motors 94 vorgesehen. Der Motor 94 ist über ein Differenzial mit Rädern 100 mechanisch gekoppelt, sodass das Drehmoment des Motors 94 in eine Antriebsleistung des Fahrzeugs umgewandelt werden kann.
Der Spannungssensor 97 und der Stromsensor 98 werden zur Messung eines AC Wechselwiderstands verwendet, der auf der Phase und der Amplitude eines Stroms bezüglich der Spannung eines AC Signals basiert, das sich auf dem Leistungssystem 9 überlagert. Der AC Wechselwiderstand entspricht dem Feuchtigkeitsgehalt in der Brennstoffzelle 20.
In dem Brennstoffzellensystem 10 ist weiterhin ein Steuergerät 80 zur Steuerung der Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 20 vorgesehen. Das Steuergerät 80 wird durch einen Universalrechner gebildet, z. B. eine CPU (Zentrale Verarbeitungseinheit), ein RAM, ein ROM und einen Schnittstellenschaltkreis. Das Steuergerät 80 ist ausgestaltet um: Sensorsignale von den Temperatursensoren 32 und 36, den Drucksensoren 44, 58 und 59, und den Drehzahlsensoren 57 und 99, ebenso wie die Signale des Spannungssensors 97, dem Stromsensor 98 und dem Zündschalter 82 anzunehmen; die Drehzahl der Wasserstoffpumpe 55 und des Luftkompressors 75 durch den Antrieb der jeweiligen Motoren in Übereinstimmung mit dem Zustand des Batteriebetriebs einzustellen, z. B. Leistungsaufladung; und bei einer Vielzahl an Ventilen das Öffnen/Schließen oder Einstellen des Öffnungswinkels des Ventils zu steuern.
Wenn die Leistungsabgabe des Brennstoffzellensystems 10 z. B. während einer schnellen Aufwärmung (d.h. der Zustand in dem der Bewegungsmotor 94 nicht betrieben wird) gesteuert wird, berechnet das Steuerungsgerät 80 eine Fahrzeug-Systemanforderungsleistung (eine Systemanforderungsleistung die von dem System angefordert wird) Preq, die auf einer verlorenen Leistung durch eine Hilfsvorrichtung des Fahrzeugs, einer Menge zur Aufladung der Batterie und einer Leistungsbegrenzungsrate der Hochdruck-Hilfsvorrichtungen 96 basiert, und berechnet einen Fahrzeug-Systemanforderungsstrom Ireq, durch Teilung der Systemanforderungsleistung Preq durch eine sekundäre Spannungsabgabe von dem DC-DC Wandler 90. Zu diesem Zeitpunkt führt das Steuergerät 80 einen Strombegrenzungsablauf durch, basierend auf der niedrigsten Zellenspannung die durch die Zellen-Überwachungs-Einheit 101 gemessen wurde.
Insbesondere bei dieser Ausführungsform nimmt das Steuergerät 80 die Funktion einer Steuerungs-Berechnungs-Einheit ein, zur: separaten Berechnung eines Versorgungsstroms in einer Strombegrenzungsperiode, die beginnt, wenn die niedrigste Zellenspannung unter den Wert einer zulässigen Mindestzellenspannung fällt, und für eine Stromwiederherstellungsperiode, die in dem Zeitpunkt startet, wenn die niedrigste Zellenspannung wiederhergestellt ist; Berechnung eines Spannungswerts zur Anweisung als Befehl an den DC-DC Wandler 90, der auf dem Versorgungsstrom basiert, der durch die oben genannte Berechnung erhalten wird; und zum Betrieb des DC-DC Wandlers 90 bezüglich der Ergebnisse der Berechnung.
2 ist ein funktionales Blockschaltbild, das die vorliegende Ausführungsform darstellt, die durch ein Steuergerät 80 zur Ausführung eines vorbestimmten Computerprogramms realisiert wird.
Wie in 2 dargestellt, umfasst das Steuergerät 80 als Steuerungs-Berechnungs-Einheit, einen Anforderungsstrom-Berechner 80a, einen ersten Subtrahierer 80b, einen Leistungsverteilungs-Berechner 80c, einen Strom/SpannungsBefehlswert-Berechner 80d, einen zweiten Subtrahierer 80e, und eine PI-Berechnungseinheit 80f.
Der Anforderungsstrom-Berechner 80a berechnet einen Anforderungsstrom (Fahrzeug-Systemanforderungsstrom) I₀ bezogen auf die Systemanforderungsleistung Preq und gibt den berechneten Anforderungsstrom I₀ an den ersten Subtrahierer 80b ab. Genauer gesagt, teilt der Anforderungsstrom-Berechner 80a die Systemanforderungsleistung Preq durch eine Ausgangsspannung VFC der Brennstoffzelle 20, um den Anforderungsstrom I₀ zu berechnen.
Der Wert der zulässigen Mindestzellenspannung ist eine Gegenspannung, die als Zellenspannung während einer niedrigen Temperatur zum Zwecke des Schutzes der Brennstoffzelle noch zu gewähren ist, der Wert der Mindestzellenspannung ist dabei der Wert, der aus einem umgekehrten Potenzial während eines Engpasses an Wasserstoff, und einer Menge der Abnahme des Kathodenpotenzial aufgrund eines Widerstandswerts, berechnet wird. Wie in 3 dargestellt, hat das Steuergerät 80 im Vorhinein die Kennlinie des zulässigen Werts der Mindestzellenspannung, als Kennfeld des Wertes der zulässigen Mindestzellenspannung 103 im Speicher abgespeichert.
Der zweite Subtrahierer 80e bezieht sich, basierend auf dem Ausgangsstrom IFC der Brennstoffzelle 20 und der Temperatur der Brennstoffzelle 20, auf das Kennfeld des Wertes der zulässigen Mindestzellenspannung 103. Mit anderen Worten, wenn eine Abweichung ΔV berechnet wird, erfolgt durch den zweiten Subtrahierer 80e ein Suchvorgang in dem in 3 abgebildeten Kennfeld des Wertes der zulässigen Mindestzellenspannung 103, das in dem Speicher des Steuergeräts 80 gespeichert ist, basierend auf einem Strom der durch den Strommesser 98 und einer inneren Temperatur der Brennstoffzelle 20, die durch den Temperatursensor 32 gemessen wird, usw., oder einer Umgebungstemperatur des Systems, die durch den Temperatursensor 102 gemessen wird, und wählt einen Grenzwert Vth aus, der den zulässigen Wert der Mindestzellenspannung abbildet, und der der gemessenen Temperatur entspricht. Da der Grenzwert Vth von einer Temperatur und einem Strom abhängt, variiert die entsprechende Veränderungsrate des Stroms in Übereinstimmung mit der gemessenen Temperatur. So zeigen z. B. in 3 die Grenzwerte Vth 1, Vth 2 und Vth 3 die Werte der zulässigen Mindestzellenspannung zu entsprechenden verschiedenen Temperaturen an, und die Werte der zulässigen Mindestzellenspannung ergeben Serien, die Kennlinien aufweisen, deren Anstieg flacher wird, umso höher die Temperatur ist. $\begin{array}{l} Strombegrenzungswert Δ I = Abweichung Mindestzellenspannung Δ V* \\ proportionale Verstärkung Kp + Integralwert Mindestzellenspannung \sum Δ V * integrale \\ Verstärkung Ki \end{array}$
Die PI-Berechnungseinheit 80f berechnet den Strombegrenzungswert ΔI als eine Kompensationsmenge für den Anforderungsstrom I₀ und gibt den berechneten Wert an den ersten Subtrahierer 80b aus. Der erste Subtrahierer 80b berechnet ab diesem Zeitpunkt einen Zielstromwert I₁ aus der Abweichung zwischen dem Anforderungsstrom I₀ und dem Strombegrenzungswert ΔI, und gibt den berechneten Zielstromwert I₁ an den Leistungsverteiler-Berechner 80c aus.
Wenn die niedrigste Zellenspannung Vm unter den Wert der zulässigen Mindestzellenspannung Vth fällt und der Strombegrenzungsablauf beginnt, kompensieren die PI-Berechnungseinheit 80f und der erste Subtrahierer 80b den Fahrzeug-Systemanforderungsstrom I₀ bezüglich des Strombegrenzungswerts ΔI, um den Versorgungsstrom I₁ als Zielstrom zu berechnen. Zu dem Zeitpunkt wird die Steuerung durchgeführt, um den Versorgungsstrom I₁ (=I₀) so zu berechnen, dass eine Strombegrenzung unterbunden wird, z. B. indem der Versorgungsstrom I₁ (=I₀) ohne eine Kompensation des Anforderungsstroms bezüglich des Strombegrenzungswerts ΔI berechnet wird, wenn die niedrigste Zellenspannung Vn den Wert der zulässigen Mindestzellenspannung Vth übersteigt und der Versorgungsstrom I₁ den Anforderungsstrom I₀ übersteigt, ab dem Zeitpunkt an dem der Strombegrenzungsablauf beginnt.
Wenn die Zielausgangsspannung der Brennstoffzelle 20 während eines Leistungsquellen-Begrenzungsablaufs verändert wird, halten die PI-Berechnungseinheit 80f und der erste Subtrahierer 80b den Versorgungsstrom I₁ ab dem Zeitpunkt aufrecht, an dem sich die Zielausgangsspannung geändert hat, bis sich die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 20, die in Verbindung mit der Änderung der Zielausgangsspannung steht, stabilisiert hat. Die Zielausgangsspannung ist ein Zielwert des Ausgangswerts der Brennstoffzelle 20, die Veränderung des Wertes hängt davon ab, ob der Betriebszustand der Brennstoffzelle 20 z. B. ein Betrieb mit geringem Nutzungsgrad ist, oder nicht.
Der Leistungsverteiler-Berechner 80c berechnet die obere und untere Grenze eines Leistungsbefehlswerts für die Brennstoffzelle 20 bezüglich der Versorgungsspannung I₁, die als Ergebnis der oben genannten Abläufe erhalten wird, und gibt das Berechnungsergebnis Pc an den Strom/Spannungs-Befehlswert-Berechner 80d aus. Diese oberen und unteren Grenzen des Leistungsbefehlswerts sind Begrenzungswerte, die verwendet werden, zur Verhinderung von: einer Verringerung der Ausgangsgenauigkeit in Folge von auftretender Ladung und Entladung durch kapazitive Bauteile des Stapels; und dem Auftreten eines Pendelns des Systemanforderungsstroms in Folge von Schwankungen der Menge der Luftversorgung.
Der Strom/Spannungs-Befehlswert-Berechner 80d gibt einen Strombefehlswert und einen Spannungsbefehlswert an den DC-DC Wandler 90 bezüglich des Berechnungsergebnisses des Leistungsverteiler-Berechners 80c aus. Der Strombefehlswert und Spannungsbefehlswert dienen als Steuerungssignal zur Festlegung eines aktuellen Ausgangsstroms und Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 20.
In Bezugnahme auf ein Zeitdiagramm in 4, ebenso wie auf 1 und 2, wird nachstehend die Abfolge von Arbeitsabläufen des Steuergeräts 80 beschrieben.
Wie in 4 dargestellt, zeigt die Zielausgangsspannung der Brennstoffzelle 20 zunächst eine niedrige Spannung VI an. Wenn ein Gaspedal des Fahrzeugsystems zum Zeitpunkt t0 gedrückt wird, wird die Spannung an der sekundären Seite des DC-DC Wandlers 90 gesteuert und die Zellenspannung jeder einzelnen Zelle fällt, während der Strom der Brennstoffzelle 20 in Übereinstimmung mit der IV-Kennlinie ansteigt. Demzufolge steigt die Leistung an, die durch die Brennstoffzelle erzeugt wird. In der Annahme, dass die niedrigste Zellenspannung Vm der Zellenspannungen im Zeitpunkt t1 unter den Wert der zulässigen Mindestzellenspannung Vth fällt, beginnt die PI-Berechnungseinheit 80f, unter Verwendung einer PI-Kompensation, von dem Zeitpunkt an einen Stromverringerungsablauf bzw. Strombegrenzungsablauf, wenn die niedrigste Zellenspannung der Zellenspannungen unter den Wert der zulässigen Mindestzellenspannung fällt, und steuert ein Herabsetzen des Versorgungsstroms, um die Zellenspannung wiederherzustellen.
Es ist zu beachten, dass bei der PI-Kompensation der Stromwert des Fahrzeug-Systemanforderungsstroms I₀ ab dem Zeitpunkt, an dem die Zellenspannung unter den zulässigen Wert (z. B. Zeitpunkt t1) fällt, durch den ersten Subtrahierer 80b als Referenzwert gespeichert wird und bis zum Ende des Strombegrenzungsablaufs aufrecht erhalten wird. Während des Strombegrenzungsablaufs wird der Strombegrenzungswert ΔI, der in der PI-Kompensationsberechnung durch die PI-Berechnungseinheit 80f berechnet wird, von dem Referenzwert des Stroms abgezogen.
Hierbei führt die PI-Berechnungseinheit 80f die oben genannte PI-Kompensationsberechnung bezüglich des oben stehenden Ausdrucks (4) durch, wobei eine relativ große Verstärkung während der Strombegrenzungsperiode (von Zeitpunkt t1 bis Zeitpunkt t2) zur Begrenzung des Versorgungsstroms I₁ bei der PI-Kompensation eingesetzt wird, wohingegen eine relativ kleine Verstärkung während der Stromwiederherstellungsperiode (von Zeitpunkt t3 bis Zeitpunkt t5) zur Wiederherstellung des Versorgungsstroms I₁ bei der PI-Kompensation eingesetzt wird.
Infolge der oben stehenden PI-Kompensationsberechnung, beginnt der Versorgungsstrom I₁ sofort zu sinken, nachdem der Strombegrenzungsablauf beginnt, während sich die Wiederherstellung der Zellenspannung langsam vollzieht und die Zellenspannung später beginnt, geringfügig anzusteigen und auf den zulässigen Wert wiederhergestellt wird. Von dem Zeitpunkt an, an dem die Zellenspannung den Wert der zulässigen Mindestzellenspannung erreicht (entsprechend dem Zeitpunkt t3 in 4), führt die PI-Berechnungseinheit 80f eine PI-Kompensation bezüglich des Ausdrucks (4) für den Strombegrenzungsablauf durch, um den Strom wiederherzustellen. Jedoch setzt die PI-Kompensationseinheit 80f während der Stromwiederherstellungsperiode, sowohl für die Verstärkung Kp als auch für die Verstärkung Ki, Werte ein die kleiner sind als die Verstärkungswerte, die bei der oben genannten Strombegrenzungsperiode verwendet werden. Durch die Verwendung kleiner Verstärkungen bei der PI-Kompensation, kann eine rasche Veränderung des Strombegrenzungswerts ΔI, der eine Kompensationsmenge ist, verhindert werden, wodurch das Auftreten eines Überschusses in dem Versorgungsstrom I₁ unterdrückt wird. Der Strombegrenzungsablauf wird gestoppt, wenn die Zellenspannung gleich oder höher als der Wert der zulässigen Mindestzellenspannung Vth ist und der Fahrzeug-Systemanforderungsstrom I₀ den begrenzten Versorgungsstrom I₁ erreicht.
Es ist zu beachten, dass die Überwachung der Zellenspannungen in Bezug darauf, ob die niedrigste Zellenspannung über dem zulässigen Wert liegt oder nicht, selbst während der Stromwiederherstellungsperiode durchgeführt wird und der Strombegrenzungsablauf erneut gestartet wird, wenn die niedrigste Zellenspannung wieder unter den zulässigen Wert fällt.
Wenn sich die Zielausgangsspannung der Brennstoffzelle 20 während des Leistungsquellen-Begrenzungsablaufs verändert, halten die PI-Berechnungseinheit 80f und der erste Subtrahierer 80b, wie oben beschrieben, den Versorgungsstrom I₁ ab dem Zeitpunkt an dem die Zielausgangsspannung geändert wurde aufrecht, bis sich die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 20, die in Verbindung mit der Änderung der Zielausgangsspannung steht, stabilisiert. In 4 verändert sich die Zielausgangsspannung der Brennstoffzelle im Zeitpunkt t2 von einer niedrigen Spannung VI zu einer hohen Spannung Vh. Demzufolge wurde der Versorgungsstrom I₁ während einer Zeitperiode aufrechterhalten, die in Zeitpunkt t2 beginnt, wenn die Zielausgangsspannung ausgehend von der niedrigen Spannung VI verändert wurde, bis zu dem Zeitpunkt t3, an dem sich die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 20 auf der hohen Spannung Vh stabilisiert hat. Mit anderen Worten, die PI-Berechnungseinheit 80f führt während der Strom-Aufrechterhaltungsperiode keine PI-Kompensationsberechnung bezüglich des Ausdrucks (4) durch, und verwendet als Wert des Versorgungsstroms I₁ den Wert, der in der vorausgegangenen PI-Kompensationsberechnung errechnet wurde.
5 ist ein Flussdiagramm zur Erklärung des oben genannten Strombegrenzungsablaufs. Der Fluss der Arbeitsabläufe des Steuergeräts 80 wird nachstehend unter Verwendung des Flussdiagramms in 5, unter Bezugnahme der 1 und 2, beschrieben.
Zu Anfang bezieht sich der Anforderungsstrom-Berechner 80a des Steuergeräts 80 in Schritt S1 auf den Zustand des Flag, um festzustellen, ob dieses das erste Mal ist, dass eine Stromsteuerung durchgeführt wird, oder nicht. Wenn das Ergebnis anzeigt, dass dieses das erste Mal ist (JA), setzt der Ablauf bei Schritt S2 fort, wohingegen der Ablauf bei Schritt S14 fortsetzt, wenn dies nicht das erste Mal ist (NEIN).
In Schritt S14 ruft der Anforderungsstrom-Berechner 80a des Steuerungsgeräts 80 einen Wert des Anforderungsstroms I₀ ab, der auf einem inneren Bereich abgespeichert wurde, und der Ablauf setzt bei Schritt S4 fort. In Schritt S2 setzt der Anforderungsstrom-Berechner 80a des Steuerungsgeräts 80 den Zeitpunkt auf „nichterstes-Mal“.
Wenn eine Ausgangsleistung des Brennstoffzellensystems 10 gesteuert wird, berechnet der Anforderungsstrom-Berechner 80a des Steuergeräts 80 in Schritt S3 einen Systemanforderungsstrom Preq und einen Anforderungsstrom I₀ für die Brennstoffzelle 20 bezüglich der Systemanforderungsleistung Preq.
Anschließend nimmt in Schritt S4 der zweite Subtrahierer 80e des Steuergeräts 80 die niedrigste Zellenspannung Vm entgegen, die die niedrigste Zellenspannung unter den Zellenspannungen angibt, die von der Zellen-Überwachungs-Einrichtung 101 gemessen wurden.
In Schritt S5 misst der zweite Subtrahierer 80e eine Temperatur und eine Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 20, nimmt Bezug auf das Kennfeld der zulässigen Mindestzellenspannung 103, das der gemessenen Temperatur entspricht, und liest den Wert der zulässigen Mindestzellenspannung Vth aus, der dem gemessenen Strom entspricht.
In Schritt S6 beurteilt der zweite Subtrahierer 80e, ob die niedrigste Zellenspannung Vm gleich oder größer dem Wert der zulässigen Mindestzellenspannung Vth ist, oder nicht, und in Folge der Beurteilung, setzt der Ablauf bei Schritt S15 fort, wenn die niedrigste Zellenspannung Vm gleich oder größer als ein Wert der zulässigen Mindestzellenspannung ist (JA), wohingegen der Ablauf bei Schritt S7 fortsetzt, wenn die niedrigste Zellenspannung Vm niedriger ist als der Wert der zulässigen Mindestzellenspannung (NEIN), wobei der Hauptstrombegrenzungsablauf in der vorliegenden Erfindung wie nachfolgend beschrieben, durchgeführt wird.
In Schritt S7 berechnet der zweite Subtrahierer 80e des Steuergeräts 80 die Abweichung ΔV zwischen dem Grenzwert (Wert der zulässigen Mindestzellenspannung) Vth der durch das Kennlinienfeld des Werts der zulässigen Mindestzellenspannung 103 erhalten wird und der gemessenen Zellenspannung Vm.
In Schritt S8 setzt die PI-Berechnungseinheit 80f des Steuergeräts 80 Verstärkungswerte an, die zur Verwendung bei dem Strombegrenzungsablauf, jeweils für eine proportionale Verstärkung Kp und eine integrale Verstärkung Ki nach Ausdruck (4), vorgegeben wurden.
Als nächstes berechnet in Schritt S9 die PI-Berechnungseinheit 80f des Steuergeräts 80 auf Grundlage des Ausdrucks (4) und unter Verwendung der berechneten Abweichung ΔV und der gesetzten proportionalen Verstärkung Kp und der integralen Verstärkung Ki einen Strombegrenzungswert ΔI als Kompensationsmenge für den Anforderungsstrom I₀.
Danach erhält der erste Subtrahierer 80b des Steuergeräts 80 in Schritt S10 die Abweichung zwischen dem Anforderungsstrom I₀ und dem Strombegrenzungswert ΔI, und gibt diese Abweichung derart aus, dass sie zu diesem Zeitpunkt als Versorgungsstrom (Zielstromwert) I₁ verwendet werden kann.
In Schritt S11 speichert der erste Subtrahierer 80b des Steuergeräts 80 den Anforderungsstrom I₀ und den Zielstromwert I₁ auf einem inneren Bereich ab.
Als nächstes berechnet der Leistungsverteiler-Berechner 80c des Steuergeräts 80 in Schritt S12 obere und untere Grenzen für einen Leistungsbefehlswert, bezüglich des Versorgungsstroms I₁ der durch die Kompensation des Anforderungsstroms I₀ durch den Strombegrenzungswert ΔI erhalten wurde.
In Schritt S13 gibt der Strom/Spannungs-Befehlswert-Berechner 80d des Steuergeräts 80 einen Spannungsbefehlswert und einen Strombefehlswert als Antriebssignal aus, um den DC-DC Wandler 90 bezüglich des berechneten Leistungsbefehlswerts zu steuern. Mit anderen Worten, der Strom/SpannungsBefehlswert-Berechner 80d steuert die Menge der zu erzeugenden Leistung und die Leistungsabgabe der Brennstoffzelle 20 bezüglich eines Versorgungsstroms I₁, der die Zellenspannung Vm derart aufrecht erhält, dass sie nicht gleich oder niedriger als der Grenzwert (Wert der zulässigen Mindestzellenspannung) Vth ist, und beendet den Ablauf dieser Routine.
Andererseits setzt der Ablauf bei Schritt S15 fort, wenn in Schritt S6 die niedrigste Zellenspannung gleich oder höher als der Wert der zulässigen Mindestzellenspannung ist (JA), und die PI-Berechnungseinheit 80f des Steuergeräts 80 bestimmt, ob der Versorgungsstrom I₁ bereits in Schritt S10 berechnet wurde, oder nicht. Wenn der Versorgungsstrom I₁ bereits in Schritt S10 berechnet wurde(JA), setzt der Ablauf bei Schritt S16 fort, wohingegen, wenn der Versorgungsstrom I₁ in Schritt S10 noch nicht berechnet wurde(NEIN), d.h. der Fluss der Steuerungsvorgänge Schritt S10 noch nicht durchlaufen hat, der Ablauf bei Schritt S20 fortsetzt.
In Schritt S16 holt sich die PI-Berechnungseinheit 80f des Steuergeräts 80 den Wert des Versorgungsstroms I₁ der auf dem inneren Bereich abgespeichert ist.
Danach setzt der Ablauf bei Schritt S17 fort, wo die PI-Berechnungseinheit 80f des Steuergeräts 80 durch Vergleich der Zielausgangsspannung, die laufend mit einer aktuellen durch den Spannungssensor 97, usw., gemessenen Ausgangsspannung angesetzt wird, feststellt, ob die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 20 stabil ist, oder nicht. Wenn festgestellt wird, dass die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 20 stabil ist (JA), setzt der Ablauf bei Schritt S18 fort, wohingegen, wenn festgestellt wird, dass die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 20 unstabil ist (NEIN), der Ablauf bei Schritt S12 fortsetzt.
Im Schritt S18 stellt die PI-Berechnungseinheit 80f des Steuergeräts 80 fest, ob der Versorgungsstrom I₁ zu dem Zeitpunkt an dem die Begrenzung des Stroms beginnt, über dem Anforderungsstrom I₀ liegt. Wenn der Versorgungsstrom I₁ zu dem Zeitpunkt an dem die Begrenzung des Stroms beginnt, nicht über dem Anforderungsstrom I₀ liegt (NEIN), wird bestimmt, dass die Begrenzung des Stroms fortgesetzt werden sollte, und der Ablauf setzt bei Schritt S19 fort. Andererseits wird dann, wenn der Versorgungsstrom I₁ zu dem Zeitpunkt an dem die Begrenzung des Stroms beginnt, über dem Anforderungsstrom I₀ liegt (JA), bestimmt, dass der Strombegrenzungsablauf beendet werden sollte, und der Ablauf setzt bei Schritt S20 fort.
In Schritt S19 setzt die PI-Berechnungseinheit 80f des Steuergeräts 80 Verstärkungswerte an, die jeweils für die proportionale Verstärkung Kp und die integrale Verstärkung Ki nach Ausdruck (4) zur Verwendung bei der Stromwiederherstellung vorgegeben wurden, und der Ablauf setzt bei Schritt S9 fort.
In Schritt S20 setzt der Anforderungsstrom-Berechner 80a des Steuergeräts 80 die Zeit auf „das erste Mal“.
Wie oben stehend beschrieben, wird in der vorliegenden Erfindung dann, wenn die niedrigste Zellenspannung Vm unter den Wert der zulässigen Mindestzellenspannung Vth fällt, unter Verwendung des Versorgungsstroms I₀ der zu diesem Zeitpunkt durch das System als Referenzwert angefordert wird, die PI-Kompensationsberechnung durchgeführt, und hierdurch kann verhindert werden, dass die Systemanforderungsleistung in Übereinstimmung mit einem Abfall des Versorgungsstroms während des Strombegrenzungsablaufs ansteigt, wodurch ein zuverlässiger Strombegrenzungsablauf realisiert wird. Z. B. wird selbst dann, wenn ein Fahrer einen Strombegrenzungszustand als Ausgangsengpass ansieht und ein Gaspedal in einem Fahrzeug, das mit einem Brennstoffzellensystem ausgestattet ist, durchdrückt, zur Berechnung des Versorgungsstroms ein Referenzwert auf einen Stromwert zu dem Zeitpunkt festgelegt, an dem der Strombegrenzungsablauf beginnt, und dadurch kann der Strom sicher begrenzt werden, bis die Zellenspannung wiederhergestellt ist.
Zudem werden die Verstärkungen Kp und Ki während der Begrenzung des Versorgungsstroms I₁, und die Verstärkung Kp und Ki während der Wiederherstellung so angesetzt, dass sie ihren jeweiligen Zustand in geeigneter Weise einnehmen, und dadurch eine schnelle Begrenzung des Stroms gewährleistet wird, während das Auftreten eines Überschusses in dem sich annähernden Versorgungsstrom verhindert werden kann.
Auch dann, wenn sich die Zielausgangsspannung der gesamten Brennstoffzelle während der Strombegrenzungsperiode ändert, wird der Stromwert des begrenzten Stroms aufrechterhalten bis sich die veränderte Zielausgangsspannung stabilisiert hat, und dann wird der Strombegrenzungsablauf erneut gestartet, und dadurch kann verhindert werden dass die Begrenzung des Stroms unter Verwendung der PI-Kompensation unstabil ist.
Zudem kann, da der Strombegrenzungsablauf der den Stromerhöhungsablauf bzw. Stromwiederherstellungsablauf umfasst in einem Zustand gestoppt wird, in dem sowohl der Versorgungsstrom I₁ als auch die niedrigste Zellenspannung Vm wiederhergestellt sind und die Anforderungsleistung Preq bereitgestellt werden kann, eine Instandhaltung der Brennstoffzellen gewährleistet werden, und eine Steuerung kann ohne Einwirkung auf den Betrieb des Systems erfolgen.
(Modifikationen)
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben genannte Ausführungsform begrenzt und kann für verschiedene Arten der Anwendung modifiziert werden.
Z.B. ist sie, obwohl die PI-Kompensation in der oben stehenden Ausführungsform auf dem Ausdruck (4) basiert, nicht auf diesen Vergleichsausdruck beschränkt. Die vorliegende Erfindung kann bei einem Vergleichsausdruck angewendet werden der für eine reaktionsfähige Steuerung eines Brennstoffzellensystems geeignet ist, sodass Verstärkungen in der Strombegrenzungsperiode und Verstärkungen in der Stromwiederherstellungsperiode unterschiedlich voneinander erfolgen können. Kurzum kann jeder Vergleichsausdruck eingesetzt werden, solange ein Strom während der Begrenzung des Stroms schnell begrenzt werden kann und ein Einschwingverhalten so gesteuert werden kann, dass keine unstabile Steuerung verursacht wird, wie ein Überschuss während der Stromwiederherstellung.
In der oben stehenden Ausführungsform wird ein Strombegrenzungswert ΔI berechnet und ein Strombegrenzungswert ΔI wird als Referenzwert von dem Stromwert I₀ abgezogen, doch der Ablauf ist nicht hierauf begrenzt. Z.B. kann eine Berechnung eingesetzt werden, in der sich ein Referenzwert direkt verändert.
Industrielle Anwendbarkeit
Da ein Systemanforderungsstromwert zu dem Zeitpunkt, wenn die niedrigste Zellenspannung in den Zellen unter einen vorbestimmten zulässigen Wert einer Mindestzellenspannung fällt, als Referenzwert zur Durchführung einer PI-Kompensationsberechnung verwendet wird, kann ein Anstieg der Systemanforderungsleistung in Übereinstimmung mit einem Abfall des Versorgungsstroms während des Stromverringerungsablaufs unterdrückt werden, wodurch es bei der vorliegenden Erfindung ermöglicht wird, den Strom sicher zu verringern bzw. zu begrenzen, bis die Zellenspannung wiederhergestellt ist. Ebenso werden in der vorliegenden Erfindung Verstärkungen während der Verringerung des Versorgungsstroms und Verstärkungen während der Erhöhung so verändert, dass sie ihren jeweiligen Zustand in geeigneter Weise einnehmen, wodurch eine schnelle Begrenzung des Stroms gewährleistet werden kann, während das Auftreten eines Überschusses in dem sich annähernden Versorgungsstrom verhindert werden kann.

Claims

Brennstoffzellensystem (10), aufweisend eine Brennstoffzelle (20) mit einer Vielzahl an Zellen, und das einen Ablauf zur Verringerung eines Versorgungsstroms (I₁) durchführt, der einer Last zuzuführen ist, mittels Durchführung einer Kompensationsberechnung bezüglich eines System-Anforderungsstroms (I₀), der einer System-Anforderungsleistung (Preq) entspricht, die, basierend auf der niedrigsten Zellenspannung (Vm) in den Zellen, von dem System (10) angefordert wird, wobei die Kompensationsberechnung durch eine PI-Kompensation zur Verringerung des Versorgungsstroms (I₁) durchgeführt wird, unter Verwendung eines Referenzwerts als den Stromwert des System-Anforderungsstroms (I₀) zu dem Zeitpunkt wenn die niedrigste Zellenspannung (Vm) unter einen vorbestimmten Wert einer zulässigen Mindestzellenspannung (103) fällt, wobei sich Werte zur Verstärkung in der PI-Kompensation zur Verringerung des Versorgungsstroms (I₁) von Werten zur Verstärkung in der PI Kompensation zur Erhöhung des Versorgungsstroms (I₁) unterscheiden.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei, falls eine Zielausgangsspannung der gesamten Brennstoffzelle (20) während dem Stromverringerungsablauf verändert wird, ein Stromwert eines begrenzten Versorgungsstroms (I₁) aufrecht erhalten wird, bis sich die veränderte Zielausgangsspannung stabilisiert hat, und danach der Stromverringerungsablauf erneut gestartet wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei, wenn alle Zellenspannungen über dem Wert der zulässigen Mindestzellenspannung (103) liegen und der Stromwert des System-Anforderungsstroms (I₀) unter den Stromwert des begrenzten Versorgungsstroms (I₁) fällt, der Stromverringerungsablauf gestoppt wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, aufweisend: einen Zellenspannungsmesser zur Messung der Zellenspannung jeder einzelnen Zelle in der Brennstoffzelle (20); und eine Steuerungsberechnungseinheit zur Durchführung der PI-Kompensation bezüglich des System-Anforderungsstroms (I₀), basierend auf der niedrigsten Zellenspannung (Vm), die aus den durch den Zellenspannungsmesser gemessenen Zellenspannungen erhalten wird, wobei: die Steuerungsberechnungseinheit, basierend auf dem unten stehenden Verhältnis, einen Kompensationswert ΔI zur Verringerung des Versorgungsstroms (I₁) berechnet: $Kp * Δ V + Ki* \sum Δ V,$
bei dem ΔV eine Abweichung zwischen dem Wert der zulässigen Mindestzellenspannung (103) und der niedrigsten Zellenspannung (Vm) darstellt, Kp eine proportionale Verstärkung darstellt, und Ki eine integrale Verstärkung darstellt und, sich sowohl die proportionale Verstärkung Kp als auch die integrale Verstärkung Ki zur Verringerung des Versorgungsstroms (I₁) von der proportionalen Verstärkung Kp und der integralen Verstärkung Ki zur Erhöhung des Versorgungsstroms (I₁) unterscheiden.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Verstärkungen in der PI-Kompensation zur Erhöhung des Versorgungsstroms (I₁) kleiner sind, als die Verstärkungen in der PI Kompensation zur Verringerung des Versorgungsstroms (I₁).
Brennstoffzellensystem (10) aufweisend: eine Brennstoffzelle (20), die eine Vielzahl an Zellen aufweist; eine Zellen-Überwachungs-Einrichtung (101) zur Messung der Zellenspannungen der Zellen; einen Abweichungs-Berechner zur Berechnung einer Abweichung (ΔV) zwischen der niedrigsten Zellenspannung (Vm) in den gemessenen Zellen und einem vorbestimmten Wert einer zulässigen Mindestzellenspannung (103); eine PI-Berechnungseinheit (80f) zur Berechnung eines Strombegrenzungswerts durch eine PI-Kompensation basierend auf der berechneten Abweichung; und einen Versorgungsstrom-Berechner zur Berechnung eines Versorgungsstroms (I₁) durch Subtrahieren des Strombegrenzungswerts von dem SystemAnforderungsstrom (I₀), der von dem System angefordert wird, wobei: der Versorgungsstrom-Berechner ein Subtrahieren des Strombegrenzungswerts verhindert, wenn die niedrigste Zellenspannung (Vm) gleich oder höher als der Wert der zulässigen Mindestzellenspannung (103) ist; und die PI-Kompensationseinheit verschiedene Werte ansetzt, zwischen Verstärkungen in der PI-Kompensation, wenn die niedrigste Zellenspannung (Vm) niedriger als der Wert der zulässigen Mindestzellenspannung (103) ist, und Verstärkungen in der PI Kompensation, wenn die niedrigste Zellenspannung (Vm) gleich oder höher als der Wert der zulässigen Mindestzellenspannung (103) ist.
Verfahren zur Verringerung eines Stroms in einem Brennstoffzellensystem (10), das umfasst: eine Brennstoffzelle (20) die eine Vielzahl an Zellen aufweist; und ein Steuergerät zur Berechnung eines Versorgungsstroms (I₁), der einer Last zuzuführen ist, basierend auf einer System-Anforderungsleistung (Preq) die von einem System (10) angefordert wird, wobei das Verfahren Schritte umfasst, die durch das Steuergerät ausgeführt werden, wie: Berechnung der System-Anforderungsleistung (Preq), die durch das System (10) angefordert wird; Messung der niedrigsten Zellenspannung (Vm) in den Zellen; Beurteilung, ob die niedrigste Zellenspannung (Vm) unter einen vorbestimmten Wert einer zulässigen Mindestzellenspannung (103) fällt, oder nicht; und Durchführung einer Kompensationsberechnung zur Verringerung eines Versorgungsstroms (I₁) durch eine PI-Kompensation, wenn die niedrigste Zellenspannung (Vm) unter den Wert der zulässigen Mindestzellenspannung (103) fällt, unter Verwendung eines Stromwerts des System-Anforderungsstroms (I₀) zu dem Zeitpunkt wenn die niedrigste Zellenspannung (Vm) unter den vorbestimmten Wert einer zulässigen Mindestzellenspannung (103) fällt, als Referenzwert, wobei sich Werte zur Verstärkung in der PI-Kompensation zur Verringerung des Versorgungsstroms (I₁) von Werten zur Verstärkung in der PI-Kompensation zur Erhöhung des Versorgungsstroms (I₁) unterscheiden.