DE60316534T2

DE60316534T2 - Stromquelle für einen elektrischen Motor

Info

Publication number: DE60316534T2
Application number: DE60316534T
Authority: DE
Inventors: Yasuyuki Itou
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-01-10
Filing date: 2003-11-28
Publication date: 2008-07-03
Anticipated expiration: 2023-11-29
Also published as: US7049788B2; EP1437256A2; DE60316534D1; JP3903921B2; US20040136211A1; JP2004222376A; EP1437256A3; EP1437256B1

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf eine Antriebsquellenvorrichtung, die ein Brennstoffzellen-Antriebsaggregat verwendet, um einen Elektromotor anzutreiben.
Hintergrund der Erfindung
Die durch das japanische Patentamt 2002 veröffentlichte JP2002-118081A offenbart eine Antriebsquellenvorrichtung für ein Fahrzeug, die ein Brennstoffzellen-Antriebsaggregat und eine sekundäre Batterie verwendet. Das Fahrzeug wird unter Verwendung eines Synchronelektromotors angetrieben, der über einen Inverter geregelt wird.
Das Brennstoffzellen-Antriebsaggregat und ein DC/DC-Wandler, der die Spannung der sekundären Batterie umwandelt, sind parallel geschaltet mit dem Inverter verbunden. Der Inverter verändert den von dem Brennstoffzellen-Antriebsaggregat oder dem DC/DC-Wandler gelieferten Gleichstrom in einen dreiphasigen Wechselstrom einer beliebigen Frequenz. Der resultierende Strom treibt den Synchronelektromotor an, der für den Antrieb des Fahrzeugs verwendet wird. WO 2004/014687 offenbart eine einen Elektromotor und einen Zusatzeinrichtungs-Stromkreis mit Leistung versorgende Antriebsquellenvorrichtung, die eine Brennstoffzelle mit einem Output-Anschlusspunkt umfasst, der parallel mit dem Elektromotor und dem Zusatzeinrichtungs-Stromkreis verbunden ist. Eine Energiespeichervorrichtung ist mit dem Output-Anschlusspunkt verbunden und ein DC/DC-Wandler ist zwischen der Energiespeichervorrichtung und dem Output-Anschlusspunkt angeordnet.
Zusammenfassung der Erfindung
In der Antriebsquellenvorrichtung des Standes der Technik ist ein Stromkreis vorgesehen, um Vorrichtungen anzutreiben, die eine Zusatzeinrichtung bzw. Zubehör zu dem Brennstoffzellen-Antriebsaggregat, und eine Zusatzeinrichtung zu dem Fahrzeug sind. Die Stromversorgung für diesen Stromkreis geschieht direkt von der sekundären Batterie, anstatt über den DC/DC-Wandler. Dies bewirkt, dass, selbst wenn der DC/DC-Wandler nicht richtig funktioniert, die direkte Leistungsversorgung von der sekundären Batterie möglich ist.
Als Ergebnis geht die von dem Brennstoffzellen-Antriebsaggregat an die Zusatzeinrichtungs-Stromkreise gelieferte Leistung durch den DC/DC-Wandler hindurch. Dies verursacht einen Energieverlust, der dem Umwandlungswirkungsgrad des DC/DC-Wandlers entspricht. Dieser Energieverlust erhöht den Brennstoffverbrauch des Brennstoffzellen-Antriebsaggregats.
Es ist daher Aufgabe dieser Erfindung, den Energiewirkungsgrad der Antriebsquellenvorrichtung zu erhöhen, die mit einem Brennstoffzellen-Antriebsaggregat, einer Energiespeichervorrichtung und einem Antriebsstromkreis von Zusatzeinrichtungen ausgestattet ist.
Um die obige Aufgabe zu lösen, stellt diese Erfindung eine Antriebsquellenvorrichtung gemäß Anspruch 1 zur Verfügung.
Die Details, wie auch andere Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sind in den weiteren Ausführungen der Spezifikation dargelegt, und in den begleitenden Zeichnungen gezeigt.
Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Darstellung einer Antriebsquellenvorrichtung für ein Brennstoffzellenfahrzeug gemäß dieser Erfindung.
2A und 2B sind Ablaufdiagramme, die eine Leistungsregelungsroutine für die Antriebsquellenvorrichtung zeigen, die von einer Regelungseinrichtung gemäß dieser Erfindung ausgeführt wird.
3 ist eine Darstellung, die die in der Regelungseinrichtung gespeicherten Charakteristiken eines Outputleistungskennfelds für ein Brennstoffzellen-Antriebsaggregat zeigt.
4A–4D sind Zeitschaubilder, die die Veränderungen einer geforderten elektrischen Leistung für ein fahrendes Fahrzeug, eine elektrische Outputleistung des Antriebsaggregats, eine Outputspannung des Antriebsaggregats und eine elektrische Outputleistung der sekundären Batterie während der Fahrzeugbeschleunigung entsprechend der Leistungsregelungsroutine zeigen.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Bezug nehmend auf 1 der Zeichnungen, wandelt ein Inverter 4 einer Antriebsquellenvorrichtung 1 für ein Brennstoffzellenfahrzeug einen Gleichstromoutput durch ein Brennstoffzellen-Antriebsaggregat 2 wie auch durch eine sekundäre Batterie 3 in einen dreiphasigen Wechselstrom um, und versorgt einen Synchronelektromotor 5 mit dem resultierenden Strom. Der Synchronelektromotor 5 treibt das Fahrzeug durch das Rotieren der nicht gezeigten Fahrzeugantriebsräder an.
Während des Bremsens des Fahrzeugs, wenn Rotationsenergie von den Antriebsrädern in den Synchronelektromotor eingegeben wird, arbeitet der Synchronelektromotor als ein Generator, der den Dreiphasenstrom im Leistungserzeugungsbetrieb nutzt. Der Inverter 4 richtet den dreiphasigen Wechselstrom zu einem Gleichstrom gleich, der zum Laden der sekundären Batterie 3 verwendet wird. Der Leistungserzeugungsbetrieb während des Bremsens wird "regeneratives Bremsen" genannt.
Der Inverter 4 umfasst ein Paar von Anschlusspunkten 1A für Gleichstrom. Das Brennstoffzellen-Antriebsaggregat 2 ist mit den Anschlusspunkten 1A verbunden. Eine sekundäre Batterie 3 ist mit den Anschlusspunkten 1A über einen DC/DC-Wandler 6 verbunden. Eine Diode 9 befindet sich zwischen dem Brennstoffzellen-Antriebsaggregat 2 und dem Anschlusspunkt 1A, um zu verhindern, dass Strom von der sekundären Batterie oder Strom, der erzeugt wird, wenn der Synchronelektromotor als ein Generator arbeitet, zu dem Brennstoffzellen-Antriebsaggregat 2 fließt.
Ein Zusatzeinrichtungs-Stromkreis 7 für das Brennstoffzellen-Antriebsaggregat ist mit dem Gleichstrom-Stromkreis verbunden, der den DC/DC-Wandler 6 und die Anschlusspunkte 1A verbindet.
Der Zusatzeinrichtungs-Stromkreis 7 umfasst zum Beispiel eine Pumpe zur Versorgung eines Brennstoffzellenstapels mit Wasserstoff und Luft, eine Pumpe zur Versorgung mit Reformat-Brennstoff und eine Heizeinrichtung zum Einstellen der Temperatur des Reformers.
Ein Zusatzeinrichtungs-Stromkreis 8 für das Fahrzeug ist auch mit dem Gleichstrom-Stromkreis verbunden, der den DC/DC-Wandler 6 und den Anschlusspunkt 1A verbindet. Der Zusatzeinrichtungs-Stromkreis 8 umfasst zum Beispiel eine Fahrzeugbeleuchtung, ein Klimaanlagen-System oder eine Ölpumpe.
Das Brennstoffzellen-Antriebsaggregat 2 umfasst einen festen Polymer-Brennstoffzellenstapel, der durch elektrochemische Reaktionen zwischen Wasserstoff und Sauerstoff elektrische Leistung erzeugt. Der Brennstoffzellenstapel kann auch eine lösliches-Karbonat- oder eine Phosphorsäure-Brennstoffzelle umfassen. Wasserstoff wird durch Reformieren eines Kohlenwasserstoff-Brennstoffs, wie Benzin oder Alkohol, erlangt. Es ist auch möglich, in einem Wasserstoffzylinder oder in einer Wasserstoffspeicherlegierung gespeicherten Wasserstoff zu verwenden. Diese Erfindung ist nicht auf eine bestimmte Art des Brennstoffzellen-Antriebsaggregats begrenzt.
Die sekundäre Batterie 3 umfasst eine Nickel-Wasserstoff-Batterie, die für Lade- wie auch Entladevorgänge ausgelegt ist. An Stelle einer sekundären Batterie kann ein Kondensator verwendet werden. Im Allgemeinen kann die Energiespeichervorrichtung der Ansprüche in Form der sekundären Batterie und des Kondensators verwendet werden.
Die sekundäre Batterie 3 führt Entlade- und Ladevorgänge über den DC/DC-Wandler 6 aus. Die sekundäre Batterie 3 treibt den Synchronelektromotor 5 über den DC/DC-Wandler 6 und den Inverter 4 rotierend an, und versorgt, wenn gefordert, die Zusatzeinrichtungs-Stromkreise 7 und 8 über den DC/DC-Wandler 6 mit elektrischer Leistung.
Der DC/DC-Wandler 6 ist ein Gleichstrom-Spannungswandler für den Entlade- und Ladevorgang der sekundären Batterie 3. Mit anderen Worten, der DC/DC-Wandler 6 hat die Funktion, den Spannungsunterschied zwischen dem Anschlusspunkt 1A und der sekundären Batterie 3 zu regeln.
Der DC/DC-Wandler 6 stellt die Outputspannung der sekundären Batterie 3 für den Anschlusspunkt 1A ein, damit sie der Outputspannung der Brennstoffzelle 2 entspricht. Der DC/DC-Wandler 6 stellt auch die Outputspannung des Synchronelektromotors 5 ein, wenn er als ein Generator arbeitet, und die Outputspannung des Brennstoffzellen-Antriebsaggregats 2, um die sekundäre Batterie 3 zu laden.
Da die Zusatzeinrichtungs-Stromkreise 7 und 8 mit dem Gleichstrom-Stromkreis verbunden sind, der den DC/DC-Wandler 6 und den Anschlusspunkt 1A verbindet, kann die von den Zusatzeinrichtungs-Stromkreisen 7 und 8 angeforderte Leistung direkt von dem Brennstoffzellen-Antriebsaggregat 2 bereitgestellt werden, ohne dass sie durch den DC/DC-Wandler 6 hindurch geht, wenn das Brennstoffzellen-Antriebsaggregat 2 in Betrieb ist. Andererseits kann, wenn das Brennstoffzellen-Antriebsaggregat 2 außer Betrieb gesetzt ist oder anläuft, die von den Zusatzeinrichtungs-Stromkreisen 7 und 8 geforderte Leistung von der sekundären Batterie 2 über den DC/DC-Wandler 6 geliefert werden.
Da, wenn das Brennstoffzellen-Antriebsaggregat 2 in Betrieb ist, die Leistungsversorgung zu den Zusatzeinrichtungs-Stromkreisen 7 und 8 nicht auf den DC/DC-Wandler 6 angewiesen ist, kann der Energieverlust in dem DC/DC-Wandler 6 vermieden werden, wenn die Zusatzeinrichtungs-Stromkreise 7 und 8 durch das Brennstoffzellen-Antriebsaggregat 2 betrieben werden. Die Zusatzeinrichtungs-Stromkreise 7 und 8 werden öfter in Betrieb gesetzt, wenn das Brennstoffzellen-Antriebsaggregat 2 in Betrieb ist, als wenn das Brennstoffzellen-Antriebsaggregat 2 außer Betrieb ist oder sich im Anlaufen befindet. Indem die Zusatzeinrichtungs-Stromkreise 7 und 8 in der obigen Weise verbunden werden, ist es möglich, den Leistungsverlust in der Antriebsquellenvorrichtung 1 zu verringern.
Ferner kann aus dem Leitungswiderstand resultierender Leistungsverlust auf niedrige Niveaus verringert werden, indem eine Länge der Leitung, die den Zusatzeinrichtungs-Stromkreis 7 und den Anschlusspunkt 1A verbindet, kürzer festgelegt wird, als eine Länge der Leitung, die den Zusatzeinrichtungs-Stromkreis 8 mit dem Anschlusspunkt 1A verbindet, vorausgesetzt, dass der Zusatzeinrichtungs-Stromkreis 7 viel mehr elektrische Leistung verbraucht als der Zusatzeinrichtungs-Stromkreis 8.
Der Betrieb des Brennstoffzellen-Antriebsaggregats 2, die Schaltersteuerung des Inverters 4 und die Regelung des Spannungsunterschiedes in dem DC/DC-Wandler 6 werden durch eine Regelungseinrichtung 10 geregelt.
Die Regelungseinrichtung 10, die die obige Regelung durchführt, umfasst einen Microcomputer, der mit einer zentralen Verarbeitungseinheit (CPU), einem Festspeicher (ROM), einem Arbeitsspeicher (RAM) und einer Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle (I/O-Schnittstelle) ausgestattet ist. Die Regelungseinrichtung 10 kann eine Vielzahl von Microcomputern umfassen.
In die Regelungseinrichtung 10 werden Signale als erfasste Daten eingegeben, um diese Regelung durchzuführen. Signale werden von einem Gaspedal-Herunterdrückungssensor 21, der den Betrag des Herunterdrückens eines Gaspedals in einem Fahrzeug erfasst, einem SOC-Sensor 22, der den Ladezustand bzw. State of Charge (SOC) der sekundären Batterie 3 erfasst, einem Durchflussratensensor 23, der eine Durchflussrate des Wasserstoffs in dem Brennstoffzellen-Antriebsaggregat 2 erfasst, und einem Fahrzeuggeschwindigkeitssensor 24, der eine Fahrzeuggeschwindigkeit erfasst, eingegeben.
Bezug nehmend auf 2A und 2B, wird eine durch die Regelungseinrichtung 10 ausgeführte Leistungserzeugung- Regelungsroutine für eine Antriebsquellenvorrichtung 1 beschrieben. Diese Routine wird, wenn das Fahrzeug fährt, in Zeitabständen von 10 ms ausgeführt.
Zuerst liest die Regelungseinrichtung 10 in einem Schritt S11 den Herunterdrückungsbetrag des Gaspedals ein, der durch den Gaspedal-Herunterdrückungssensor 21 erfasst wird.
Dann bestimmt die Regelungseinrichtung 10 in einem Schritt S12, ob ein Fahrer des Fahrzeugs, basierend auf einer Änderung des Gaspedal-Herunterdrückungsbetrages, eine Beschleunigung des fahrenden Fahrzeugs fordert.
Wenn festgestellt wird, dass der Fahrer die Beschleunigung des fahrenden Fahrzeugs fordert, wird in den Schritten S13 bis S18 ein Beschleunigungsverfahren ausgeführt.
Wenn, festgestellt wird, dass der Fahrer keine Beschleunigung des fahrenden Fahrzeugs fordert, wird in den Schritten S1 bis S4 ein Nicht-Beschleunigungsverfahren ausgeführt. Wenn der Fahrer keine Beschleunigung des fahrenden Fahrzeugs fordert, wird das Brennstoffzellenfahrzeug in einem stationären Zustand fahren oder abbremsen.
Zuerst wird eine Nicht-Beschleunigungssituation beschrieben.
Bezug nehmend auf 2B berechnet die Regelungseinrichtung 10 zuerst in dem Schritt S1 die geforderte Outputleistung FCe, die von dem Brennstoffzellen-Antriebsaggregat 2 gefordert wird. Die geforderte Outputleistung FCe ist die Summe einer von dem Inverter geforderten Leistung DRe, einer von der Batterie geforderten Leistung BAe und einer von der Zusatzeinrichtung geforderten Leistung PEe.
Die von dem Inverter geforderte Leistung DRe entspricht der durch den Synchronelektromotor 5 zum Antreiben des Fahrzeugs verbrauchten Leistung und wird in dem folgenden Verfahren berechnet.
Insbesondere werden für den Synchronelektromotor 5 eine Ziel-Rotationsdrehzahl und ein Ziel-Outputdrehmoment festgestellt. Speziell wird die Ziel-Rotationsdrehzahl des Synchronelektromotors 5 durch Nachschlagen in einem Kennfeld erlangt, das diese entsprechend der Fahrzeuggeschwindigkeit als einen Parameter definiert. Das Ziel-Outputdrehmoment des Synchronelektromotors 5 wird durch Nachsehen in einem Kennfeld erlangt, das dieses entsprechend dem Gaspedal-Herunterdrückungsbetrag als einen Parameter definiert. Diese Kennfelder sind in dem ROM der Regelungseinheit 10 vorgespeichert.
Das Produkt aus der Ziel-Rotationsdrehzahl und dem Ziel-Outputdrehmoment stellt die Ziel-Outputleistung des Synchronelektromotors 5 dar. Die Regelungseinrichtung 10 berechnet die erforderliche Inputleistung des Synchronelektromotors 5, indem die Ziel-Outputleistung durch den Betriebswirkungsgrad des Synchronelektromotors 5 geteilt wird. Die Regelungseinrichtung 10 berechnet dann die von dem Inverter geforderte Leistung DRe, indem die von dem Synchronmotor 5 geforderte Inputleistung durch einen Inverterwirkungsgrad geteilt wird, welcher die an den Synchronelektromotor 5 gelieferte Leistung geteilt durch die von dem Inverter 4 verbrauchte Leistung ist. Wenn der Synchronelektromotor 5 während des regenerativen Bremsens als Generator betrieben wird, ist das Zieldrehmoment ein negativer Wert. Somit ist die von dem Inverter geforderte Leistung DRe auch ein negativer Wert.
Die von der Batterie geforderte Leistung BAe ist die Leistung, die erforderlich ist, um den SOC der sekundären Batterie 3 in einem vorbestimmten Bereich zu erhalten. Der Wert von BAe wird durch die Regelungseinrichtung 10 als Antwort auf den von dem SOC-Sensor 22 erfassten SOC eingestellt. Mit anderen Worten, wenn der SOC unter den vorbestimmten Bereich fällt, stellt die Regelungseinrichtung 10 die von der Batterie geforderte Leistung BAe auf einen positiven Wert ein, um so die sekundäre Batterie 3 zu laden.
Wenn der SOC sich auf einen Wert oberhalb des vorbestimmten Bereichs erhöht, stellt die Regelungseinrichtung 10 die von der Batterie geforderte Leistung BAe auf einen negativen Wert ein, so dass die sekundäre Batterie 3 Leistung abgibt. Ein Kennfeld, das den SOC zum Berechnen der von der Batterie benötigten Leistung BAe verwendet, wird in dem ROM der Regelungseinrichtung 10 vorab gespeichert. Die Regelungseinrichtung bestimmt die von der Batterie benötigte Leistung BAe durch Nachsehen in dem Kennfeld auf der Basis des durch den SOC-Sensor 22 erfassten SOC.
Die von der Zusatzeinrichtung geforderte Leistung PEe ist die Summe der in dem Zusatzeinrichtungs-Stromkreis 7 für das Brennstoffzellen-Antriebsaggregat verwendeten Leistung und der in dem Zusatzeinrichtungs-Stromkreis 8 für das Fahrzeug verwendeten Leistung. Die Regelungseinrichtung 10 stellt die von der Zusatzeinrichtung geforderte Leistung PEe als Antwort auf den Betrieb der jeweiligen Zusatzeinrichtungen in den Zusatzeinrichtungs-Stromkreisen 7 und 8 ein.
Nachdem die geforderte Outputleistung FCe des Brennstoffzellen-Antriebsaggregats 2 in Schritt S2 in dieser Weise berechnet worden ist, regelt die Regelungseinrichtung 10 den Betrieb des Brennstoffzellen-Antriebsaggregats 2 auf der Basis des geforderten Outputs FCe. Mit anderen Worten, eine Ziel-Outputspannung wird für das Brennstoffzellen-Antriebsaggregat 2 festgelegt, und die Durchflussrate des Wasserstoffs wird so geregelt, dass die geforderte Outputleistung FCe erreicht wird. Die Ziel-Outputspannung des Brennstoffzellen-Antriebsaggregats 2 wird unter Verwendung der geforderten Outputleistung FCe durch Nachsehen in einem in dem ROM vorab gespeicherten Kennfeld berechnet, das die in 3 gezeigten Charakteristiken aufweist.
3 zeigt die Beziehung zwischen Leistung und Strom und Strom und Spannung. Die Regelungseinrichtung 10 berechnet einen erforderlichen Strom lfc durch Eintragen der erforderlichen Outputleistung FCe auf einer Leistung-Strom-Kurve. Dann wird die erforderliche Spannung Vfc durch Eintragen des erforderlichen Stroms If auf der Strom-Spannung-Kurve berechnet.
Eine Ziel-Durchflussrate des Wasserstoffs wird bestimmt, um den geforderten Leistungsoutput FCe bei der erforderlichen Spannung Vfc zu realisieren. Das Brennstoffzellen-Antriebsaggregat 2 wird dann geregelt, um die Ziel-Durchflussrate zu erreichen.
In dem folgenden Schritt S3 stellt die Regelungseinrichtung 10 die Ziel-Outputspannung des DC/DC-Wandlers 6 ein.
Wenn die sekundäre Batterie 3 Leistung abgibt, mit anderen Worten, wenn die von der Batterie geforderte Leistung BAe ein negativer Wert ist, erhält der DC/DC-Wandler 6 einen Inputstrom von der sekundären Batterie 3 und gibt einen Strom an den Anschlusspunkt 1A oder die Zusatzeinrichtungs-Stromkreise 7, 8 ab. In diesem Fall stellt die Regelungseinrichtung 10 die Ziel-Outputspannung des DC/DC-Wandlers 6 auf einen Wert ein, der gleich der von dem Brennstoffzellen-Antriebsaggregat 2 geforderten Spannung Vfc ist.
Wenn die sekundäre Batterie 3 die Ladevorgänge ausführt, mit anderen Worten wenn die von der Batterie geforderte Leistung BAe ein positiver Wert ist, erhält der DC/DC-Wandler 6 von dem Anschlusspunkt 1A einen Strom und gibt an die sekundäre Batterie 3 einen Strom ab. In diesem Fall stellt die Regelungseinrichtung 10 die Ziel-Outputspannung des DC/DC-Wandlers 6 auf einen Wert ein, der geeignet ist, die sekundäre Batterie 3 zu laden. Diese Ziel-Outputspannung kann ein festgelegter Wert sein, oder kann als Antwort auf die von der Batterie geforderten Leistung BAe in einem vorbestimmten Bereich variieren.
In dem folgenden Schritt S4 regelt die Regelungseinrichtung 10 den DC/DC-Wandler 6 derart, dass die Outputspannung des DC/DC-Wandlers 6 mit der Ziel-Outputspannung übereinstimmt, und regelt den Inverter 4 derart, dass die von dem Synchronelektromotor 5 geforderte Inputleistung dem Synchronelektromotor 5 zur Verfügung gestellt wird. Nach dem Verfahren in Schritt S4 beendet die Regelungseinrichtung 10 die Routine.
Während des stationären Betriebs regelt die Regelungseinrichtung 10 den Output des Brennstoffzellen-Antriebsaggregats 2, die dem Synchronelektromotor 5 über den Inverter 4 bereitgestellte Spannung und die Outputspannung des DC/DC-Wandlers 6 auf diese Weise alle 10 Millisekunden.
Wenn es bei der Outputverstärkung des Brennstoffzellen-Antriebsaggregats 2 in Bezug auf die Zunahme der geforderten Outputleistung FCe eine Ansprechverzögerung gibt, wird der Unterschied zwischen dem tatsächlichen Output des Brennstoffzellen-Antriebsaggregats 2 und der erforderlichen Outputleistung FCe durch die Outputänderung der sekundären Batterie 3 kompensiert. In diesem Fall wird, da der tatsächliche Output des Brennstoffzellen-Antriebsaggregats 2 sich der geforderten Outputleistung FCe annähert, der Output der sekundären Batterie 3 allmählich auf die von der Batterie geforderte Leistung BAe verringert. Die sekundäre Batterie 3 hat die Funktion, die Antwortcharakteristiken der Leistungsversorgung bezüglich der Veränderungen der geforderten Outputleistung FCe zu verbessern.
In dieser Antriebsquellenvorrichtung 1 sind der Zusatzeinrichtungs-Stromkreis 7 für das Brennstoffzellen-Antriebsaggregat und der Zusatzeinrichtungs-Stromkreis 8 für das Fahrzeug direkt mit dem Anschlusspunkt 1A verbunden, ohne durch den DC/DC-Wandler 6 zu gehen.
Wenn das Fahrzeug nicht beschleunigt, wird die von dem Zusatzeinrichtungs-Stromkreis 7 für das Brennstoffzellen-Antriebsaggregat und von dem Zusatzeinrichtungs-Stromkreis 8 für das Fahrzeug geforderte Leistung von dem Brennstoffzellen-Antriebsaggregat 2 geliefert, oder während des regenerativen Bremsbetriebs von dem Synchronelektromotor 5. Da die an die Zusatzeinrichtungs-Stromkreise 7, 8 in dieser Situation gelieferte Leistung nicht durch den DC/DC-Wandler 6 geht, wird der Leistungsverlust in der Antriebsquellenvorrichtung 1 auf ein niedriges Niveau heruntergedrückt, so dass der Energiewirkungsgrad der Vorrichtung 1 größer als bei der Antriebsquellenvorrichtung des Standes der Technik ist.
Wenn die sekundäre Batterie 3 Leistung abgibt, kann ein Teil der von den Zusatzeinrichtungs-Stromkreisen 7 und 8 verbrauchten Leistung über den DC/DC-Wandler 6 von der sekundären Batterie 3 geliefert werden. In diesem Fall tritt in dem DC/DC-Wandler 6 ein Leistungsverlust auf, aber dies stellt kein Problem für den Energiewirkungsgrad dar, da die von der sekundären Batterie 3 abgegebene Leistung die Überschussleistung der sekundären Batterie 3 ist.
Wieder Bezug nehmend auf 2A, berechnet die Regelungseinrichtung 10, wenn in Schritt S12 festgestellt worden ist, dass der Fahrer keine Beschleunigung des fahrenden Fahrzeugs fordert, im folgenden Schritt S13 die geforderte Outputleistung FCe des Brennstoffzellen-Antriebsaggregats 2. Da die sekundäre Batterie 3 nicht geladen wird, wenn die Beschleunigung des fahrenden Fahrzeugs gefordert wird, ist die geforderte Outputleistung FCe in dieser Situation die Summe der von dem Inverter geforderten Leistung DRe und der von der Zusatzeinrichtung geforderten Leistung PEe.
Die von dem Inverter geforderte Leistung DRe wird durch die Regelungseinrichtung 10 mit dem oben in Schritt S1 beschriebenen Verfahren berechnet. Die von dem Inverter geforderte Leistung DRe erhöht sich, wenn die Beschleunigung des fahrenden Fahrzeugs gefordert wird.
Die von der Zusatzeinrichtung geforderte Leistung PEe wird von der Regelungseinrichtung 10 als Antwort auf den Antriebszustand der Zusatzeinrichtungen in den Zusatzeinrichtungs-Stromkreisen 7 und 8, wie in dem Schritt S1 oben beschriebenen, eingestellt. Da der Zusatzeinrichtungs-Stromkreis 7 für das Brennstoffzellen-Antriebsaggregat 2 die Heizeinrichtung oder die Pumpen umfasst, die für den Betrieb des Brennstoffzellen-Antriebsaggregats 2 benötigt werden, erhöht sich auch die von der Zusatzeinrichtung geforderte Leistung PEe, wenn die Beschleunigung des fahrenden Fahrzeugs gefordert wird.
Somit erhöht sich, wie durch die durchgezogene Linie in 4A gezeigt, der geforderte Leistungsoutput FCe von der Zeit t1 an, zu der die Beschleunigung des fahrenden Fahrzeugs zum ersten Mal gefordert wird.
Dann regelt in Schritt S14 die Regelungseinrichtung 10 die Durchflussrate des Wasserstoffs in dem Brennstoffzellen-Antriebsaggregat 2, um die geforderte Outputleistung FCe zu realisieren.
Dann wird in Schritt S15 ein Wert für die lieferbare Leistung FCe1 berechnet, der innerhalb der Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellen-Antriebsaggregats 2 liegt. Da die Erhöhung der Outputleistung des Brennstoffzellen-Antriebsaggregats 2 bezüglich der Erhöhung der geforderten Outputleistung FCe verzögert ist, wird die Leistung, die zu diesem Zeitpunkt tatsächlich geliefert werden kann, als die lieferbare Leistung FCe1 berechnet.
Die zeitliche Verzögerung bei der Wasserstoffversorgung stellt einen möglichen Grund für die Verzögerung der Reaktionen in dem Brennstoffzellen-Antriebsaggregat 2 dar. Die Regelungseinrichtung 10 erhöht die an das Brennstoffzellen-Antriebsaggregat 2 gelieferte Wasserstoffmenge entsprechend der Erhöhung des geforderten Leistungsoutputs FCe. Es wird jedoch Zeit benötigt, damit sich die tatsächliche Durchflussrate des Wasserstoffs erhöhen kann, wenn Wasserstoff von Reformierungsreaktionen mit einem Kohlenwasserstoff-Brennstoff erlangt wird.
Wie in 4B gezeigt, berücksichtigt die lieferbare Leistung FCe1 die zeitliche Verzögerung. Wie durch 4A gezeigt, fällt, wenn die lieferbare Leistung FCe1 unter den geforderten Leistungsoutput FCe fällt, die Outputspannung Vfc des Brennstoffzellen-Antriebsaggregats 2, wie durch die gestrichelte Linie in 4C gezeigt. Wenn die Erhöhungen bei der lieferbaren Leistung FCe1 der geforderten Outputleistung FCe folgen, kehrt die Outputspannung Vfc zu ihrem ursprünglichen Wert zurück.
Um Spannungsabfälle auszugleichen, berechnet die Regelungseinrichtung 10 in einem Schritt S16 die Outputleistung BAe der sekundären Batterie 3 als den Unterschied zwischen dem geforderten Output FCe und der lieferbaren Leistung FCe1.
Dann stellt die Regelungseinrichtung 10 in einem Schritt S17 die Ziel-Outputspannung des DC/DC-Wandlers 6 auf eine vorbestimmte Nennspannung ein, mit anderen Worten, auf den Wert vor der Zeit t1 in 4C.
Dann regelt die Regelungseinrichtung 10 in einem Schritt S18 die Outputspannung des DC/DC-Wandlers 6 auf die Ziel-Outputspannung. Der Inverter 4 wird so geregelt, dass die von dem Synchronelektromotor 5 geforderte Leistung geliefert wird. Nach dem Verfahren von Schritt S18 beendet die Regelungseinrichtung 10 die Routine.
Auf diese Weise wird, wenn die lieferbare Leistung FCe1 als Ergebnis einer Beschleunigung zeitweise unter die geforderte Outputleistung FCe fällt, eine Verringerung der Outputspannung Vfc des Brennstoffzellen-Antriebsaggregats 2 vermieden, indem von der sekundären Batterie 3 Leistung geliefert wird. Entsprechend gibt es auf den Antrieb der Zusatzeinrichtungen in den Zusatzeinrichtungs-Stromkreisen 7 und 8 keine Auswirkung.
Nach dem Beschleunigen des Fahrzeugs wird, wenn das Fahrzeug mit einer konstant hohen Geschwindigkeit betrieben wird, in einem Schritt S12 festgestellt, dass keine Beschleunigung gefordert wird, und das Verfahren in den Schritten S1 bis S4 wird erneut durchgeführt.
Auf diese Weise verbindet die Antriebsquellenvorrichtung 1 die Zusatzeinrichtungs-Stromkreise 7 und 8 parallel geschaltet mit dem Anschlusspunkt 1A, der mit dem Brennstoffzellen-Antriebsaggregat 2 verbunden ist. Da die sekundäre Batterie 3 über den DC/DC-Wandler 6 mit dem Anschlusspunkt 1A verbunden ist, ist es möglich, die Zusatzeinrichtungen in den Zusatzeinrichtungs-Stromkreisen 7 und 8 unter Verwendung des Ausgangsstroms des Brennstoffzellen-Antriebsaggregats 2 ohne einen mit dem DC/DC-Wandler 6 verbundenen Leistungsverlust anzutreiben.
Ferner können aus dem Leitungswiderstand sich ergebende Leistungsverluste auf niedrige Niveaus verringert werden, indem die Länge der Leitung, die den Zusatzeinrichtungs-Stromkreis 7 und den Anschlusspunkt 1A verbindet, kürzer gestaltet wird als die Länge der Leitung, die den Zusatzeinrichtungs-Stromkreis 8 mit dem Anschlusspunkt 1A verbindet, unter der Voraussetzung, dass der Zusatzeinrichtungs-Stromkreis 7 viel mehr elektrische Energie verbraucht als der Zusatzeinrichtungs-Stromkreis 8. Somit wird der Energiewirkungsgrad des Brennstoffzellenfahrzeugs verbessert.
Während der Fahrzeugbeschleunigung gibt es, da die zeitweise Spannungsverringerung, die sich aus einer Antwortverzögerung in dem Brennstoffzellen-Antriebsaggregat 2 ergibt, durch die Regelung der Outputspannung des DC/DC-Wandlers 6 kompensiert wird, keine Schwankung bei der den Zusatzeinrichtungs-Stromkreisen 7 und 8 während der Fahrzeugbeschleunigung gelieferten Leistung.
Der DC/DC-Wandler 6 regelt das Laden/Entladen der sekundären Batterie 3. Somit ist es möglich, sehr genaues Laden durch regeneratives Bremsen oder Laden, wenn der SOC abgefallen ist, und Entladen, wenn der Output des Brennstoffzellen-Antriebsaggregats 2 nicht ausreichend ist, durchzuführen.
Obwohl die Erfindung oben mit Bezug auf gewisse Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben worden ist, ist die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele begrenzt. Modifikationen und Änderungen der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele werden dem Fachmann innerhalb des Schutzumfangs der Ansprüche einfallen.
Die Ausführungsbeispiele dieser Erfindung, an denen ein exklusives Eigentum oder Vorrecht beansprucht wird, sind wie folgt definiert:

Claims

Antriebsquellenvorrichtung (1), die einen Elektromotor (5) und einen Zusatzeinrichtungs-Stromkreis (7, 8) mit Leistung versorgt, umfassend: ein Brennstoffzellen-Antriebsaggregat (2), das einen Output-Anschlusspunkt (1A) aufweist, mit dem der Elektromotor (5) und der Zusatzeinrichtungs-Stromkreis (7, 8) parallel geschaltet verbunden sind; eine Energiespeichervorrichtung (3), die mit dem Output-Anschlusspunkt (1A) verbunden ist, wobei die Energiespeichervorrichtung (3) einen Ladevorgang und einen Entladevorgang ausführt; und einen DC/DC-Wandler (6), der eine Inputspannung der Energiespeichervorrichtung (3) bei einem Ladevorgang und eine Outputspannung der Energiespeichervorrichtung (3) bei einem Entladevorgang einstellt, wobei der DC/DC-Wandler (6) zwischen der Energiespeichervorrichtung (3) und dem Output-Anschlusspunkt (1A) angeordnet ist; wobei der Zusatzeinrichtungs-Stromkreis (7, 8) umfasst: einen ersten Stromkreis (7) und einen zweiten Stromkreis (8), von denen der erste Stromkreis (7) mehr Leistung verbraucht als der zweite Stromkreis (8), und wobei eine Länge an Leitung, die den ersten Stromkreis (7) und den Anschlusspunkt (1A) verbindet, kürzer als eine Länge an Leitung ist, die den zweiten Stromkreis (8) und den Anschlusspunkt (1A) verbinden.
Antriebsquellenvorrichtung (1) gemäß Anspruch 1, wobei die Antriebsquellenvorrichtung (1) ferner eine Regelungseinrichtung (10) umfasst, die programmiert ist, den DC/DC-Wandler (6) so zu regeln, dass bewirkt wird, dass die Outputspannung der Energiespeichervorrichtung (3) bei einem Entladevorgang gleich einer Outputspannung des Brennstoffzellen-Antriebsaggregats (2) ist.
Antriebsquellenvorrichtung (1) gemäß Anspruch 2, wobei die Regelungseinrichtung (10) ferner programmiert ist, den DC/DC-Wandler (6) so zu regeln, dass bewirkt wird, dass die Inputspannung der Energiespeichervorrichtung (3) bei einem Entladevorgang gleich einer vorbestimmten Ladespannung ist.
Antriebsquellenvorrichtung (1) gemäß Anspruch 2 oder Anspruch 3, wobei die Antriebsquellenvorrichtung (1) ferner einen Sensor (21) umfasst, der eine Beschleunigungsforderung an den Elektromotor (5) erfasst, und wobei die Regelungseinrichtung (10) ferner programmiert ist, den DC/DC-Wandler (6) so zu steuern, dass er die Outputspannung der Energiespeichervorrichtung (3) bei einem Entladevorgang auf einem Wert hält, der gleich der Outputspannung des Brennstoffzellen-Antriebsaggregats (2) ist, bevor die Beschleunigungsforderung erfasst wird.
Antriebsquellenvorrichtung (1) gemäß Anspruch 4, wobei der Elektromotor (5) einen Motor (5) zum Antreiben eines Fahrzeugs umfasst, und der Sensor (21) einen Sensor (21) umfasst, der einen Herunterdrückungsbetrag eines Gaspedal erfasst, mit dem das Fahrzeug ausgerüstet ist.
Antriebsquellenvorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Energiespeichervorrichtung (3) eine sekundäre Batterie (3) umfasst.
Antriebsquellenvorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Energiespeichervorrichtung (3) einen Kondensator umfasst.
Antriebsquellenvorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Elektromotor (5) einen Wechselstrom-Synchronmotor (5) umfasst, der mit dem Output-Anschlusspunkt (1A) über einen Inverter (4) verbunden ist.