DE102015118114B4

DE102015118114B4 - Brennstoffzellensystem, Brennstoffzellenfahrzeug und Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: DE102015118114B4
Application number: DE102015118114.2A
Authority: DE
Inventors: Yuji Kakeno; Kenji Umayahara; Mitsuhiro Nada
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-11-14
Filing date: 2015-10-23
Publication date: 2022-06-15
Anticipated expiration: 2035-10-24
Also published as: DE102015118114A1; KR20160058008A; US10115990B2; CA2911638A1; JP6222049B2; CN105609823B; KR101859802B1; CN105609823A; US20160141681A1; CA2911638C; JP2016096651A

Abstract

Brennstoffzellensystem (100), das in einem Fahrzeug (10) installiert ist, wobei das Brennstoffzellensystem (100) aufweist:eine Brennstoffzelle (110), die einem das Fahrzeug (10) antreibenden Fahrmotor (136) Leistung zuführt;eine Pumpe (138), die der Brennstoffzelle (110) Sauerstoff zuführt;eine Gaspedalpositionserfassungseinheit (190), die einen Gaspedalniederdrückbetrag des Fahrzeugs (10) erfasst;eine Sekundärbatterie (140), die dem Fahrmotor (136) Leistung zuführen kann;eine Ladezustandserfassungseinheit (142), die eine Temperatur und einen Ladezustand der Sekundärbatterie (140) erfasst; undeinen Kontroller (180), der auf Basis des Gaspedalniederdrückbetrags eine benötigte generierte Leistung der Brennstoffzelle (110) und eine benötigte Antriebsleistung der Pumpe (138) berechnet, wobei,wenn eine voreingestellte Bedingung zum Verursachen einer starken Abnahme der berechneten benötigten generierten Leistung erfüllt ist, der Kontroller (180) die benötigte Antriebsleistung in einer solchen Weise berechnet, dass eine Abnahmerate der benötigten Antriebsleistung höher als eine Abnahmerate der berechneten benötigten generierten Leistung wird, eine untere Grenze auf die berechnete benötigte Antriebsleistung einstellt und die Pumpe (138) entsprechend der unteren Grenze antreibt, wenn die berechnete benötigte Antriebsleistung niedriger als die untere Grenze ist,der Kontroller (180) die zulässige oberen Ausgabegrenze der Sekundärbatterie (140) auf Basis der Temperatur und/oder des Ladezustands der Sekundärbatterie (140) berechnet, undder Kontroller (180) die untere Grenze der benötigten Antriebsleistung auf Basis der zulässigen oberen Ausgabegrenze und der benötigten generierten Leistung der Brennstoffzelle (110) berechnet.

Description

HINTERGRUND
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, das in einem Fahrzeug installiert ist, ein Brennstoffzellenfahrzeug und ein Verfahren zum Steuern desselben.
Stand der Technik
In manchen herkömmlich bekannten Brennstoffzellensystemen, die in einem Fahrzeug installiert sind, wird die benötigte generierte Leistung einer Brennstoffzelle entsprechend eines Gaspedalniederdrückbetrags berechnet, und der Brennstoffzelle zugeführte Mengen an Sauerstoff und Wasserstoff werden in einer solchen Weise gesteuert, dass die durch die Brennstoffzelle generierte Leistung der benötigten generierten Leistung entspricht ( JP 2011 - 15 580 A ). Wenn in dem Brennstoffzellensystem die benötigte generierte Leistung der Brennstoffzelle aufgrund der Verzögerung des Fahrzeugs oder ähnlichem fällt, fällt die benötigte Antriebsleistung eines Luftverdichters, der der Brennstoffzelle Sauerstoff zuführt. Aus der EP 0 633 157 A1 sind ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur dynamischen Regelung der Leistung einer elektrischen Antriebseinheit eines Fahrzeugs bekannt, die von einer im Fahrzeug angeordneten Brennstoffzelle mit elektrischer Energie versorgt wird, wobei der elektrischen Antriebseinheit jeweils die maximal von der Brennstoffzelle zur Verfügung gestellte elektrische Leistung zugeführt wird und die von der Brennstoffzelle erzeugte Leistung durch Regelung des Oxidant- Massenstroms eingestellt wird.
Aus der US 2011 / 0 293 972 A1 ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, das unter anderem einen Kontroller aufweist, der konfiguriert ist, um einen Soll-Stromwert und einen Soll-Spannungswert der Brennstoffzelle basierend auf einer benötigten Menge einer Leistungsabgabe und einer benötigten Menge einer Wärme für die Brennstoffzelle einzustellen und einen Strömungsregler so zu steuern, dass die durch die Brennstoffzelle benötigte Gasströmungsrate und die Umgehungsströmungsrate reguliert werden, um einen Niedereffizienzbetrieb der Brennstoffzelle zu erreichen, wobei die Brennstoffzelle an einem Betriebspunkt einer niedrigeren Leistungserzeugungseffizienz als eine Leistungserzeugungseffizienz auf einem Strom-Spannungs-Kennlinienverlauf betrieben wird, wobei der Gaszuführströmungsregler die Gaszuführströmungsrate reguliert, um zu bewirken, dass der Oxidationsgaszuführer eine überschüssige Gasströmungsrate zuführt, die höher als eine von der Brennstoffzelle benötigte Soll-Gasströmungsrate eingestellt ist, wobei es sich bei der von der Brennstoffzelle benötigten Soll-Gasströmungsrate um die von der Brennstoffzelle benötigte Gasströmungsrate handelt, die der Brennstoffzelle zugeführt werden soll, um den Soll-Stromwert zu erreichen, wenn die verfügbare Menge der Leistungsabgabe von der Sekundärbatterie eine minimale Menge der elektrischen Leistung unterschreitet, die für den Oxidationsgaszuführer notwendig ist, um die Gaszuführströmungsrate innerhalb einer voreingestellten Zeitspanne von 0 auf eine voreingestellte Gasströmungsrate zu erhöhen, und der Betriebs-Controller den Strömungsregler so steuert, dass die Umgehungsströmungsrate einer Differenz-Gasströmungsrate zwischen der überschüssigen Gasströmungsrate und der von der Brennstoffzelle benötigten Soll-Gasströmungsrate entspricht.
Ein Leerlauf-Steuer/Regelsystem für ein Fahrzeug mit Brennstoffzelle, das in eine Energieversorgungseinrichtung des Hybridtyps integriert ist, die eine Brennstoffzelle und einen Energiespeicher umfasst, der mit von der Brennstoffzelle erzeugtem elektrischen Strom wiederaufgeladen wird, ist zudem aus der DE 103 32 129 A1 bekannt.
Da die Reaktion des Luftverdichters aufgrund der Trägheit jedoch langsam ist, wenn beispielsweise die benötigte generierte Leistung aufgrund der starken Abnahme des Gaspedalniederdrückbetrags stark abnimmt, wird Sauerstoff der Brennstoffzelle sogar zugeführt, nachdem die benötigte Antriebsleistung auf 0 gefallen ist, bis der Verdichter anhält. Daher gibt es eine Problem, dass ein Austrocknen der Brennstoffzelle auftritt, und ein Problem, dass eine übermäßig generierte Leistung zu einer geringeren Kraftstoffeffizienz und einem Überladen einer Sekundärbatterie führt. In Anbetracht dessen haben die vorliegenden Erfinder herausgefunden, dass die Probleme durch ein Durchführen einer solchen Steuerung gelöst werden können, dass die benötigte Antriebsleistung des Verdichters mit einer höheren Abnahmerate abnimmt als eine Abnahmerate der benötigten generierten Leistung, wenn die benötigte generierte Leistung stark abnimmt. Wenn jedoch diese Steuerung ausgeführt wird, fällt die benötigte Antriebsleistung vor der benötigten generierten Leistung auf 0. Daher kann es sein, dass die Brennstoffzelle nicht fähig ist, Leistung aufgrund des Sauerstoffmangels zu generieren, nachdem der Verdichter gestoppt wurde, und kann daher fehlschlagen, Leistung entsprechend der benötigten generierten Leistung zu generieren. Wenn dies geschieht, gibt es ein Problem, dass das Brennstoffzellensystem nicht die benötigte Leistung einem Antriebsmotor des Fahrzeugs zuführen kann. Im Ergebnis fällt das Moment des Antriebsmotors stark und es tritt daher ein, was als ein Drehmomentstoß bekannt ist.
KURZFASSUNG
Die vorliegende Erfindung wurde geschaffen, um die oben beschriebenen Probleme zu lösen und kann daher in den folgenden Aspekten implementiert werden.

(1) Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung schlägt ein Brennstoffzellensystem vor, das in einem Fahrzeug installiert ist. Das Brennstoffzellensystem enthält eine Brennstoffzelle, die einem das Fahrzeug antreibenden Motor Leistung zuführt, eine Pumpe, die der Brennstoffzelle Sauerstoff zuführt, eine Gaspedalpositionserfassungseinheit, die einen Gaspedalniederdrückbetrag des Fahrzeugs erfasst, eine Sekundärbatterie, die dem Motor Leistung zuführen kann, eine Ladezustandserfassungseinheit, die eine Temperatur und einen Ladezustand der Sekundärbatterie erfasst, und einen Kontroller, der auf Basis des Gaspedalniederdrückbetrags eine benötigte generierte Leistung der Brennstoffzelle und eine benötigte Antriebsleistung der Pumpe berechnet. Wenn eine voreingestellte Bedingung zum Verursachen einer starken Abnahme der berechneten benötigten generierten Leistung erfüllt ist, berechnet der Kontroller die benötigte Antriebsleistung in einer solchen Weise, dass eine Abnahmerate der benötigten Antriebsleistung höher als eine Abnahmerate der berechneten benötigten generierten Leistung wird, stellt eine untere Grenze auf die berechnete benötigte Antriebsleistung ein und treibt die Pumpe entsprechend der unteren Grenze an, wenn die berechnete benötigte Antriebsleistung niedriger als die untere Grenze ist. Der Kontroller berechnet die zulässige oberen Ausgabegrenze der Sekundärbatterie auf Basis der Temperatur und/oder des Ladezustands der Sekundärbatterie, und berechnet die untere Grenze der benötigten Antriebsleistung auf Basis der zulässigen oberen Ausgabegrenze und der benötigten generierten Leistung der Brennstoffzelle. Wenn bei dieser Konfiguration die benötigte generierte Leistung stark fällt, fällt die benötigte generierte Leistung mit der Abnahmerate, die höher als die Abnahmerate der benötigten generierten Leistung ist, wodurch eine unnötige Zufuhr von Sauerstoff zu der Brennstoffzelle verhindert wird. Daher kann ein Austrocknen der Brennstoffzelle verhindert werden und die Verschlechterung der Kraftstoffeffizienz aufgrund einer übermäßigen Erzeugung von Leistung kann reduziert werden. Wenn die berechnete benötigte Antriebsleistung niedriger als die untere Grenze ist, wird die Pumpe entsprechend der unteren Grenze der benötigten Antriebsleistung angetrieben, wodurch die Brennstoffzelle daran gehindert werden kann, in einen Zustand zu kommen, in dem aufgrund des Sauerstoffmangels keine Leistungserzeugung möglich ist. Daher kann ein Drehmomentstoß verhindert werden, wenn das Fahrzeug beispielsweise abgebremst wird. Mit dieser Konfiguration kann zudem die untere Grenze der benötigten Antriebsleistung entsprechend der Größe der Leistung, die dem Motor von der Sekundärbatterie zugeführt werden kann, verändert werden. Daher kann die Brennstoffzelle effektiver daran gehindert werden, in den Zustand zu kommen, in dem sie aufgrund des Sauerstoffmangels unfähig ist, Leistung zu erzeugen. Die untere Grenze der benötigten Antriebsleistung kann in Abhängigkeit der Größe der benötigten generierten Leistung der Brennstoffzelle verändert werden. Daher kann der Sauerstoff daran gehindert werden der Brennstoffzelle übermäßig zugeführt zu werden, wenn die Pumpe in Abhängigkeit der unteren Grenze angetrieben wird.
(2) In dem Brennstoffzellensystem nach dem oben beschriebenen Aspekt kann die voreingestellte Bedingung sein, dass eine Abnahmerate des Gaspedalniederdrückbetrags gleich oder höher als ein erster Grenzwert ist. Bei dieser Konfiguration kann ein Zustand, in dem die benötigte generierte Leistung stark abnimmt, leicht erfasst werden.
(3) Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung schlägt ein Brennstoffzellensystem vor, das in einem Fahrzeug installiert ist und eine Brennstoffzelle, die einem das Fahrzeug antreibenden Motor Leistung zuführt, eine Pumpe, die der Brennstoffzelle Sauerstoff zuführt, sowie eine Gaspedalpositionserfassungseinheit, die einen Gaspedalniederdrückbetrag des Fahrzeugs erfasst, umfasst. Das Brennstoffzellensystem enthält weiter eine Sekundärbatterie, die dem Motor Leistung zuführen kann, eine Fahrzeuggeschwindigkeitserfassungseinheit, die eine Fahrzeuggeschwindigkeit des Fahrzeugs erfasst, und eine Ladezustandserfassungseinheit, die eine Temperatur und einen Ladezustand der Sekundärbatterie erfasst, sowie einen Kontroller, der auf Basis des Gaspedalniederdrückbetrags eine benötigte generierte Leistung der Brennstoffzelle und eine benötigte Antriebsleistung der Pumpe berechnet. Wenn eine voreingestellte Bedingung zum Verursachen einer starken Abnahme der berechneten benötigten generierten Leistung erfüllt ist, berechnet der Kontroller die benötigte Antriebsleistung in einer solchen Weise, dass eine Abnahmerate der benötigten Antriebsleistung höher als eine Abnahmerate der berechneten benötigten generierten Leistung wird, stellteine untere Grenze auf die berechnete benötigte Antriebsleistung ein und treibt die Pumpe entsprechend der unteren Grenze an, wenn die berechnete benötigte Antriebsleistung niedriger als die untere Grenze ist. Der Kontroller berechnet eine zulässige obere Ausgabegrenze der Sekundärbatterie auf Basis der Temperatur und/oder des Ladezustands der Sekundärbatterie. Die voreingestellte Bedingung ist, dass eine Abnahmerate des Gaspedalniederdrückbetrags gleich oder höher als ein zweiter Grenzwert ist, die Fahrzeuggeschwindigkeit gleich oder niedriger als ein dritter Grenzwert ist und der zulässige obere Ausgabegrenzwert gleich oder niedriger als ein vierter Grenzwert ist. Bei dieser Konfiguration kann der Zustand, in dem die benötigte generierte Leistung stark abnimmt, leicht erfasst werden, und die untere Grenze der benötigten Antriebsleistung kann nur eingestellt werden, wenn die Leistung, die dem Motor von der Sekundärbatterie zugeführt werden kann, gering ist und daher der Drehmomentstoß wahrscheinlich auftritt.

Die vorliegende Erfindung kann in verschiedenen Ausführungsformen, beispielsweise einem Fahrzeug mit einer Brennstoffzelle, einem Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems, das in einem Fahrzeug installiert ist, einem Kontroller, der das Verfahren ausführt, einem Computerprogramm, das das Verfahren ausführt und einem Speichermedium, das das Computerprogramm speichert, implementiert werden.
Figurenliste

1 ist eine schematische Ansicht eines Brennstoffzellenfahrzeugs, das ein Brennstoffzellensystem nach einer ersten Ausführungsform enthält;
2 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration eines Kontrollers darstellt;
3 ist ein Flussdiagramm, das eine Einstellsteuerung einer unteren Grenze einer benötigten Antriebsleistung darstellt;
4 ist ein Zeitdiagramm, das beispielhaft einen Zustand des Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß der ersten Ausführungsform darstellt;
5 ist ein Zeitdiagramm, das beispielhaft einen Zustand eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß eines Vergleichsbeispiels darstellt;
6 ist ein Zeitdiagramm, das beispielhaft einen Zustand eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß einer zweiten Ausführungsform darstellt;
7 ist ein schematisches Diagramm, das beispielhaft eine Beziehung zwischen W_out und PL_RQ gemäß einer dritten Ausführungsform darstellt;
8 ist ein Zeitdiagramm, das beispielhaft einen Zustand eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß der dritten Ausführungsform darstellt.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
A. Erste Ausführungsform:
1 ist eine schematische Ansicht, die eine Konfiguration eines Brennstoffzellenfahrzeugs 10 mit einem Brennstoffzellensystem 100 gemäß einer ersten Ausführungsform darstellt. Das Brennstoffzellenfahrzeug 10 enthält eine Brennstoffzelle 110, einen FC-Hochsetzsteller 120, eine Leistungssteuerungseinheit (PCU) 130, einen Fahrmotor 136, einen Luftverdichter (ACP) 138, eine Fahrzeuggeschwindigkeitserfassungseinheit bzw. einen Fahrzeuggeschwindigkeitserfasser 139, eine Sekundärbatterie 140, eine SOC-Erfassungseinheit 142, eine FC-Hilfsvorrichtung 150, einen Kontroller 180, eine Gaspedalpositionserfassungseinheit bzw. einen Gaspedalpositionserfasser 190 und Räder WL. Das Brennstoffzellenfahrzeug 10 fährt durch Antreiben des Fahrmotors 136 durch eine Leistungszufuhr von der Brennstoffzelle 110 und der Sekundärbatterie 140. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst beispielsweise die oben beschriebenen funktionalen Einheiten des Brennstoffzellenfahrzeugs 10 außer dem Fahrmotor 136 und den Rädern WL.
Die Brennstoffzelle 110 ist eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle, die Leistung bzw. Strom ansprechend auf die Versorgung mit Sauerstoff und Wasserstoff als Reaktionsgas generiert. Die Brennstoffzelle 110 ist nicht auf die Polymerelektrolytbrennstoffzelle beschränkt und verschiedene andere Arten von Brennstoffzellen können verwendet werden. Die Brennstoffzelle 110 ist mit einem Hochspannung-DC-Kabel DCH (Gleichstromkabel) über den FC-Hochsetzsteller 120 verbunden, und ist über das Hochspannungs-DC-Kabel DCH mit einem Motortreiber 132 und einem ACP-Treiber 137 in der PCU 130 verbunden. Der FC-Hochsetzsteller 120 setzt die von der Brennstoffzelle 110 ausgegebene Spannung VFC auf eine Hochspannung VH, die von dem Motortreiber 132 und dem ACP-Treiber 137 verwendet werden kann.
Der Motortreiber 132 ist als eine Dreiphasen-Wechselrichter-Schaltung ausgebildet und ist mit dem Fahrmotor 136 verbunden. Der Motortreiber 132 wandelt von der Brennstoffzelle 110 ausgegebene Leistung, die über den FC-Hochsetzsteller 120 zugeführt wurde, und von der Sekundärbatterie 140 ausgegebene Leistung, die über einen DC/DC-Wandler (Gleichstromwandler) 134 zugeführt wurde, in einen Dreiphasenwechselstrom (AC) um und führt den Dreiphasenwechselstrom dem Fahrmotor 136 zu. Der Fahrmotor 136 ist als Synchronmotor ausgebildet, der eine Dreiphasenwicklung enthält und über Getriebe und ähnliches die Räder WL antreibt. Der Fahrmotor 136 fungiert auch als ein Leistungsgenerator, der kinetische Energie des Brennstoffzellenfahrzeugs 10 regeneriert, um eine Regenerativleistung bzw. einen Regenerativstrom zu erzeugen, wenn das Brennstoffzellenfahrzeug 10 gebremst wird. Die Fahrzeuggeschwindigkeitserfassungseinheit 139 erfasst die Fahrzeuggeschwindigkeit S_VHCL [km/h] des Brennstoffzellenfahrzeugs 10 und überträgt die Fahrzeuggeschwindigkeit S_VHCL [km/h] an den Kontroller 180.
Der DC/DC-Wandler (Gleichstromwandler) 134 passt ein Spannungsniveau des Hochspannungs-DC-Kabels DCH in Abhängigkeit eines Antriebssignals von dem Kontroller 180 an, so dass die Sekundärbatterie 140 zwischen einem Auflade- und einem Entladezustand wechselt. Wenn der Fahrmotor 136 die Regenerativleistung bzw. den Regenerativstrom erzeugt, wandelt der Motortreiber 132 den Regenerativstrom in DC-Strom (Gleichstrom), um die Sekundärbatterie 140 über den DC/DC-Wandler 134 zu laden.
Der ACP-Treiber 137 ist als eine Dreiphasen-Wechselrichter-Schaltung gebildet und ist mit einem ACP 138 verbunden. Der ACP-Treiber 137 wandelt von der Brennstoffzelle 110 ausgegebenen Strom bzw. Leistung, die über den FC-Hochsetzsteller 120 zugeführt wird, und von der Sekundärbatterie 140 ausgegebene Leistung, die über den DC/DC-Wandler 134 zugeführt wird, in Dreiphasenwechselstrom um, und führt den Dreiphasenwechselstrom dem ACP 138 zu. Der ACP 138 ist als Synchronmotor ausgebildet, der eine Dreiphasenwicklung enthält und einen Motor in Abhängigkeit der zugeführten Leistung antreibt und der Brennstoffzelle 110 den zur Leistungserzeugung bzw. Stromerzeugung verwendeten Sauerstoff (Luft) zuführt. Der „ACP 138“ entspricht einer „Pumpe“ in den Ansprüchen.
Die Sekundärbatterie 140 ist eine Ladevorrichtung, die elektrische Energie speichert und wiederholt ein Aufladen und ein Entladen ausführen kann. Die Sekundärbatterie 140 kann beispielsweise als eine Lithium-Ionen-Batterie ausgebildet sein. Alternativ kann die Sekundärbatterie 140 auch eine andere Art von Batterie sein, beispielsweise ein Bleiakkumulator, eine Nickel-Kadmium-Batterie oder eine Nickel-Wasserstoff-Batterie. Die Sekundärbatterie 140 ist mit dem DC/DC-Wandler 134 in der PCU 130 über ein Niederspannungs-DC-Kabel DCL (Gleichstromkabel) verbunden und ist über den DC/DC-Wandler 134 mit dem Hochspannungskabel DCH verbunden.
Die SOC-Erfassungseinheit 142 erfasst einen Ladezustand (SOC = state of charge) der Sekundärbatterie 140 und übermittelt den SOC an den Kontroller 180. In dieser Beschreibung zeigt der „SOC“ ein Verhältnis einer aktuell verbleibenden Batterieladung zu der Maximalladungskapazität der Sekundärbatterie 140 an. Die SOC-Erfassungseinheit 142 erfasst eine Temperatur Tba, eine Ausgabespannung V und einen Ausgabestrom 1 der Sekundärbatterie 140 und erfasst den SOC auf Basis der erfassten Werte. Die SOC-Erfassungseinheit 142 in der vorliegenden Ausführungsform überträgt auch die Temperatur Tba der Sekundärbatterie 140 an den Kontroller 180. Die SOC-Erfassungseinheit 142 entspricht einer „Ladezustandserfassungseinheit“ in den Ansprüchen.
Die FC-Hilfsvorrichtung 150 ist mit dem Niederspannungs-DC-Kabel DCL verbunden und wird durch die von der Brennstoffzelle 110 und der Sekundärbatterie 140 zugeführte Leistung angetrieben. Die FC-Hilfsvorrichtung 150 enthält Hilfsvorrichtungen, die zur Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 110 verwendet werden, wie beispielsweise eine Kraftstoffpumpe, über die das Reaktionsgas der Brennstoffzelle 110 zugeführt wird, und eine Kühlmittelpumpe, die der Brennstoffzelle 110 ein Kühlmittel zuführt. Die Gaspedalpositionserfassungseinheit 190 erfasst, wie stark das Gaspedal durch einen Fahrer betätigt wird (Gaspedalniederdrückbetrag D_ACC) [%] und überträgt den Gaspedalniederdrückbetrag D_ACC an den Kontroller 180.
Der Kontroller 180 ist aus einem Mikrocomputer gebildet, der eine zentrale Recheneinheit und einen Hauptspeicher enthält. Nach einem Erfassen eines Vorgangs wie beispielsweise einem Beschleunigungsvorgang durch den Fahrer, steuert der Kontroller 180 die Leistungserzeugung der Brennstoffzelle 110 und das Aufladen/Entladen der Sekundärbatterie 140 in Abhängigkeit von dem Inhalt des Vorgangs. Der Kontroller 180 erzeugt ein Antriebssignal, das dem Gaspedalniederdrückbetrag D_ACC entspricht, und überträgt das Antriebssignal an den Motortreiber 132 und den DC/DC-Wandler 134. Der Motortreiber 132 treibt den Fahrmotor 136 rotierend in Abhängigkeit vom Gaspedalniederdrückbetrag D_ACC durch ein Anpassen einer Pulsweite der AC-Spannung in Abhängigkeit vom Antriebssignal von dem Kontroller 180 oder durch Durchführen eines ähnlichen Vorgangs an. Der Kontroller 180 enthält ein Sekundärbatterieuntersütztungssteuerkennfeld und ermittelt eine Sekundärbatterieunterstützungsrate durch Verwendung des Kennfelds. Das Sekundärbatterieunterstütztungssteuerkennfeld gibt eine Beziehung zwischen der Temperatur und dem SOC der Sekundärbatterie 140 an, und ein Verhältnis der von der Sekundärbatterie 140 zugeführten Leistung P_T/M zu der für ein rotierendes Antreiben des Fahrmotors 136 benötigten Leistung in Abhängigkeit vom Gaspedalniederdrückbetrag D_ACC (Sekundärbatterieunterstützungsverhältnis).
2 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration des Kontrollers 180 darstellt. Der Kontroller 180 enthält vier elektronische Steuereinheiten (ECUs), d.h. eine PM-ECU 181, eine FC-ECU 182, eine FDC-ECU 183 und eine MG-ECU 184. Die PM-ECU 181 erfasst den Gaspedalniederdrückbetrag D_ACC des Brennstoffzellenfahrzeugs 10 und richtet verschiedene Anfragen und Instruktionen an die anderen ECUs, die zum Antreiben des Fahrmotors 136 bei der dem Gaspedalniederdrückbetrag D_ACC entsprechenden Drehzahl benötig werden. Die FC-ECU 182 steuert die Brennstoffzelle 110 und die FC-Hilfsvorrichtung 150. Nach dem Erhalt eines später beschriebenen Anfragesignals SREQ von der PM-ECU 181 richtet die FC-ECU 182 ein Antwortsignal SRES, das der Leistungserzeugungsleistung und den Charakteristiken der Brennstoffzelle 110 entspricht, an die PM-ECU 181. Die FDC-ECU 183 steuert den FC-Hochsetzsteller 120. Nach dem Erhalt eines später beschriebenen Leistungskommandos PCOM von der PM-ECU 181 veranlasst die FDC-ECU 183 die Brennstoffzelle 110, dem Fahrmotor 136 und der ACP 138 eine dem Leistungskommando PCOM entsprechende Leistung zuzuführen. Die MG-ECU 184 steuert den Fahrmotor 136, den ACP-Treiber 137 und den DC/DC-Wandler 134. Nach dem Erhalt eines später beschriebenen Momentkommandos TCOM von der PM-ECU 181 veranlasst die MG-ECU den Fahrmotor 136 und die ACP 138 ein Moment entsprechend dem Momentkommando TCOM zu erzeugen. Ein Beispiel für die von den vier ECUs durchgeführten Vorgänge wird nachfolgend beschrieben.
Die PM-ECU 181 empfängt den Gaspedalniederdrückbetrag D_ACC, der von der Gaspedalbetätigungserfassungseinheit 190 erfasst wird, wenn das Gaspedal durch den Fahrer betätigt wird. Nach dem Erhalt des Gaspedalniederdrückbetrags D_ACC berechnet die PM-ECU 181 ein benötigtes Beschleunigungsmoment T_ACC [N·m] als einen Momentbetrag bzw. Drehmomentbetrag, der für den Fahrmotor 136 entsprechend dem Gaspedalniederdrückbetrag D_ACC benötigt wird. Das benötigte Beschleunigungsmoment T_ACC kann beispielsweise durch eine ein Verhältnis zwischen D_ACC und T_ACC darstellende Formel berechnet werden. Die PM-ECU 181 berechnet auch ein benötigtes Fahrmoment T_MOD [N·m] aus dem benötigten Beschleunigungsmoment T_ACC. Das benötigte Fahrmoment T_MOD wird durch eine Ratenverarbeitung (Glättungsprozess) berechnet, die auf einer Änderungsrate ΔT_ACC [N·m/s] des benötigten Beschleunigungsmoments T_ACC ausgeführt wird, die gleich oder größer als ein Grenzwert (Ratengrenze) ΔTth1 ist, so dass die Änderungsrate ΔT_ACC verringert wird. Das benötigte Fahrmoment T_MOD wird wie oben beschrieben eingestellt, da sich ein Komfort aufgrund einer plötzlichen Beschleunigung oder Verzögerung verschlechtert, wenn die Beschleunigung und Verzögerung des Brennstoffzellenfahrzeugs 10 entsprechend dem benötigten Beschleunigungsmoment T_ACC gesteuert werden. Die PM-ECU 181 richtet das das berechnete benötigte Fahrmoment T_MOD enthaltende Momentkommando TCOM an die MG-ECU 184. Nach dem Erhalt des Momentkommandos TCOM, das das benötigte Fahrmoment T_MOD enthält, steuert die MG-ECU 184 den Fahrmotor 136 derart, dass ein dem benötigten Fahrmoment T_MOD entsprechendes Ausgabemoment erzeugt wird. Das in dem Fahrmotor 136 aktuell generierte Moment wird auch als Ist-Moment T_ACT bezeichnet.
Die PM-ECU 181 berechnet eine benötigte Fahrzeugleistung P_VHCL [W] aus dem berechneten benötigten Fahrmoment T_MOD. Die benötigte Fahrzeugleistung P_VHCL ist eine für ein Erreichen eines Fahrzustands des Brennstoffzellenfahrzeugs 10 entsprechend dem benötigten Fahrmoment T_MOD benötigte Leistung und ist die benötigte generierte Leistung der Brennstoffzelle 110. Die benötigte Fahrzeugleistung P_VHCL wird aus der folgenden Formel (1) berechnet: $P_{VHCL} = P_{T / M} + P_{AUX} + P_{CHG}$
in der P_T/M die benötigte Fahrleistung [W] des Fahrmotors 136 ist, P_AUX die benötigte Antriebsleistung [W] der FC-Hilfsvorrichtung 150 und der ACP 138 ist und P_CHG eine Leistung [W] ist, die zu und von der Sekundärbatterie 140 geladen und entladen wird. Beispielsweise kann P_T/M aus einer Motorcharakteristik berechnet werden, die eine Beziehung zwischen einer Drehzahl und einem benötigten Moment des Fahrmotors 136 und P_T/M angibt. P_AUX kann beispielsweise aus einer Motorcharakteristik berechnet werden, die eine Beziehung zwischen P_AUX, der Drehzahl und dem benötigten Moment des Motors der FC-Hilfsvorrichtung 150 und der ACP 138 angibt. P_CHG kann beispielsweise aus einer SOC-Lade-Entlade-Charakteristik und einer Temperatur-Lade-Entlade-Charakteristik der Sekundärbatterie 140 berechnet werden. Die SOC-Lade-Entlade-Charakteristik ist ein Kennfeld, in dem der SOC der Sekundärbatterie 140 in mit einer zulässigen oberen Eingabegrenze W_in der Eingabe(Lade)Leistung P_in und einer zulässigen oberen Ausgabegrenze W_out der Ausgabe(Entlade)Leistung Pout assoziiert ist. Die Temperatur-Lade-Entlade-Charakteristik ist ein Kennfeld, in dem die Temperatur Tba der Sekundärbatterie 140 mit der zulässigen oberen Eingabegrenze Win der Eingabeleistung und der zulässigen oberen Ausgabegrenze W_out der Ausgabeleistung assoziiert ist. Die PM-ECU 181 kann als P_CHG den kleineren Wert von der zulässigen oberen Eingabegrenze W_in, die aus dem von der SOC-Erfassungseinheit 142 erfassten SOC und der SOC-Lade-Entlade-Charakteristik ermittelt wird, und der zulässigen oberen Eingabegrenze Win, die aus der von der SOC-Erfassungseinheit erfassten Temperatur Tba und der Temperatur-Lade-Entlade-Charakteristik ermittelt wird, nutzen. Die PM-ECU 181 richtet ein Anfragesignal SREQ, das die berechnete benötigte Fahrzeugleistung P_VHCL enthält, an die FC-ECU 182. Die „benötigte Fahrzeugleistung P_VHCL“ entspricht einer „benötigten erzeugten Leistung der Brennstoffzelle“.
Nach dem Erhalt des Anfragesignals SREQ, das die benötigte Fahrzeugleistung P_VHCL enthält, bestimmt die FC-ECU 182, ob die benötigte Fahrzeugleistung P_VHCL eine zulässige Leistung P_ALW [W] der Brennstoffzelle 110 übersteigt. Die zulässige Leistung P_ALW [W] ist eine obere Grenze der Leistung, die aktuell von der Brennstoffzelle 110 generiert werden kann, und kann anhand von verschiedenen Parametern berechnet werden, die den aktuellen Zustand der Brennstoffzelle 110 anzeigen. Die Parameter, die den aktuellen Zustand der Brennstoffzelle 110 anzeigen, beinhalten beispielsweise die Temperatur der Brennstoffzelle 110, eine Menge an von der ACP 138 von außen aufgenommenen Luft, eine Menge an Wasserstoff, die in einem Wasserstofftank verbleibt, der Wasserstoff speichert, der der Brennstoffzelle 110 zugeführt wird, einen Anodendruck und einen Kathodendruck der Brennstoffzelle 110 und ähnliches. Die FC-ECU 182 kann die zulässige Leistung P_ALW aus einem Kennfeld berechnen, das eine entsprechende Beziehung zwischen den Parametern und der zulässigen Leistung P_ALW anzeigt. Wenn die benötigte Fahrzeugleistung P_VHCL nicht die zulässige Leistung P_ALW übersteigt, richtet die FC-ECU 182 ein Antwortsignal SRES an die PM-ECU 181, das einen Stromwert I [A] und einen Spannungswert V [V] enthält, die der benötigten Fahrzeugleistung P_VHCL entsprechen. Der Stromwert I und der Spannungswert V, die der benötigten Fahrzeugleistung P_VHCL entsprechen, können jeweils aus einer Leistung-Strom Kennlinie (P-I-Kennlinie) und einer Strom-Spannungs-Kennlinie (I-V-Kennlinie) der Brennstoffzelle 110 berechnet werden. Wenn die benötigte Fahrzeugleistung P_VHCL die zulässige Leistung P_ALW übersteigt, richtet die FC-ECU 182 das Antwortsignal SRES, das den Stromwert I und den Spannungswert V enthält, die der zulässigen Leistung P_ALW entsprechen, an die PM-ECU 181.
Nach dem Erhalt des Antwortsignals SRES, das den Stromwert I und den Spannungswert V enthält, die der benötigten Fahrzeugleistung P_VHCL oder der zulässigen Leistung P_ALW entsprechen, richtet die PM-ECU 181 das Leistungskommando PCOM, das dem erhaltenen Stromwert I und dem erhaltenen Spannungswert V entspricht, an die FDC-ECU 183. Nach dem Erhalt des Leistungskommandos PCOM steuert die FDC-ECU 183 den FC-Hochsetzsteller 120 derart, dass die Brennstoffzelle 110 den Stromwert I und den Spannungswert V entsprechend dem Leistungskommando PCOM ausgibt. Die von der Brennstoffzelle 110 aktuell ausgegebene Leistung wird auch als generierte FC-Leistung P_FC bezeichnet.
Die PM-ECU 181 berechnet eine benötigte ACP-Antriebsleistung P_RQ [W] aus dem benötigten Beschleunigungsmoment T_ACC Die benötigte ACP-Antriebsleistung P_RQ ist eine Leistung, die benötigt wird, um einen Antriebszustand der ACP 138 zu erreichen, der mit dem benötigten Beschleunigungsmoment T_ACC übereinstimmt, und kann aus einer Formel berechnet werden, die beispielsweise die Beziehung zwischen T_ACC und P_RQ angibt. Die PM-ECU 181 richtet das Anfragesignal SREQ an die FC-ECU 182, das die berechnete benötigte ACP-Antriebsleistung P_RQ enthält. Die „benötigte ACP-Antriebsleistung P_RQ“ entspricht der „benötigten Antriebsleistung“.
Nach dem Erhalt des Anfragesignals SREQ, das die benötigte ACP-Antriebsleistung P_RQ enthält, berechnet die FC-ECU 182 eine Drehzahl (benötigte Drehzahl) R_RQ [U/min] der ACP 138, die der benötigten ACP-Antriebsleistung P_RQ entspricht. Die benötigte Drehzahl R_RQ kann beispielsweise folgendermaßen berechnet werden. Zuerst wird der Stromwert I, um die Brennstoffzelle 110 zu veranlassen die benötigte ACP-Antriebsleistung P_RQ zu erzeugen, aus dem Wert der benötigen ACP-Antriebsleistung P_RQ und der P-I-Kennlinie und der I-V-Kennlinie der Brennstoffzelle 110 berechnet. Dann wird eine Sauerstoffmenge zum Erzeugen der benötigen ACP-Antriebsleistung P_RQ aus einem Ladebetrag berechnet, der dem berechneten Stromwert I entspricht, und einer Formel für eine elektrochemische Reaktion zur Leistungserzeugung. Eine Luftbetrag zum Generieren der benötigten ACP-Antriebsleistung P_RQ wird aus der berechneten Sauerstoffmenge und einem Mischverhältnis der Luft berechnet und die benötigte Drehzahl R_RQ der ACP 138 wird aus der berechneten Luftmenge berechnet. Die FC-ECU 182 richtet das Antwortsignal SRES, das die berechnete benötigte Drehzahl R_RQ enthält, an die PM-ECU 181.
Nach dem Erhalt des Antwortsignals SRES, das die benötigte Drehzahl R_RQ enthält, berechnet die PM-ECU 181 das benötigte ACP-Moment T_ACP [N·m] aus der benötigten Drehzahl R_RQ. Die PM-ECU 181 richtet ein Momentkommando TCOM, das das berechnete benötigte ACP-Moment T_ACP enthält, an die MG-ECU 184. Nach dem Erhalt des Momentkommandos TCOM, das das benötigte ACP-Moment T_ACP enthält, steuert die MG-ECU 184 die ACP 138 derart, dass das Ausgabemoment, das dem benötigten ACP-Moment T_ACP entspricht, generiert wird.
Wie oben beschrieben ist, berechnet die PM-ECU 181 gemäß der vorliegenden Ausführungsform die benötigte Fahrzeugleistung P_VHCL aus dem benötigten Fahrmoment T_MOD und berechnet die benötigte ACP-Antriebsleistung P_RQ aus dem benötigten Beschleunigungsmoment T_ACC. Wenn die berechnete benötigte Fahrzeugleistung P_VHCL, d.h. die benötigte generierte Leistung der Brennstoffzelle 110, stark fällt, fällt die benötigte ACP-Antriebsleistung P_RQ bei dieser Konfiguration mit einer Abnahmerate, die höher als eine Abnahmerate der benötigten generierten Leistung (benötigte Fahrzeugleistung P_VHCL) ist. Das Austrocknen der Brennstoffzelle 110 kann daher verhindert werden und die Verschlechterung der Kraftstoffeffizienz aufgrund übermäßig generierter Leistung kann verringert werden, wenn die benötigte Fahrzeugleistung P_VHCL stark fällt. Wegen der langsamen Antwort bzw. Reaktion der ACP 138 aufgrund der Trägheit wird Sauerstoff der Brennstoffzelle 110 zugeführt, bis die ACP 138 angehalten wird, sogar nachdem die benötigte ACP-Antriebsleistung P_RQ auf 0 reduziert wird, wenn die benötigte Fahrzeugleistung P_VHCL stark gefallen ist. Diese übermäßige Sauerstoffzufuhr führt zu dem Austrocknen der Brennstoffzelle 110 und der übermäßigen Leistungserzeugung. Durch Einstellen der Abnahmerate der benötigten ACP-Antriebsleistung P_RQ derart, dass diese höher als die Abnahmerate der benötigten Fahrzeugleistung P_VHCL ist, näherst sich der verzögerte zugeführte Betrag von Sauerstoff von der ACP 138 für die benötigte ACP-Antriebsleistung P_RQ an diesem Punkt dem für die benötigte Fahrzeugleistung P_VHCL benötigten Luftbetrag. Daher wird verhindert, dass übermäßig Sauerstoff zugeführt wird, nachdem die benötigte Fahrzeugleistung P_VHCL auf 0 reduziert wird, wodurch das Austrocknen der Brennstoffzelle 110 verhindert werden kann und die übermäßige Leistungserzeugung verringert werden kann. Die PM-ECU 181 gemäß der vorliegenden Ausführungsform führt eine Steuerung (Einstellungssteuerung der unteren Grenze der benötigten Antriebsleistung) zum Einstellen einer unteren Grenze PL_RQ als Leitwert für die berechnete benötigte ACP-Antriebsleistung P_RQ durch, wenn die benötigte Fahrzeugleistung P_VHCL stark fällt.
3 ist ein Flussdiagramm, das die Einstellsteuerung der unteren Grenze der benötigten Antriebsleistung darstellt. Zuerst ermittelt die PM-ECU 181, ob die benötigte Fahrzeugleistung P_VHCL stark fällt (Schritt S110). Um zu ermitteln, ob die benötigte Fahrzeugleistung P_VHCL stark fällt, wird ermittelt, ob eine voreingestellte Bedingung zum Verursachen einer starken Abnahme der benötigten Fahrzeugleistung P_VHCL erfüllt ist. Die voreingestellte Bedingung ist hier, dass eine Abnahmerate |ΔD_ACC| (0 > ΔD_ACC [%/s]) des Gaspedalniederdrückbetrags D_ACC pro Zeit gleich oder höher als ein Grenzwert ΔDth (beispielsweise, 5 [%/s]) (|ΔD_ACC| ≥ ΔDth) ist. Als die „voreingestellte Bedingung“ kann jede Bedingung eingestellt werden, bei der die benötigte Fahrzeugleistung P_VHCL erwartungsgemäß stark fällt. Als eine solche Bedingung kann beispielsweise eine Abnahmerate |ΔT_ACC| des benötigten Beschleunigungsmoments T_ACC pro Zeiteinheit eingestellt werden, die ein Grenzwert ΔTth2 oder höher ist. Der „Grenzwert ΔDth“ entspricht einem „ersten Grenzwert“.
Wenn die Abnahmerate |ΔD_ACC| des Gaspedalniederdrückbetrags T_ACC pro Zeit geringer als der Grenzwert ΔDth (|ΔD_ACC| < ΔDth) ist, fällt die benötigte Fahrzeugleistung P_VHCL nicht stark ab (Schritt S110: Nein) und die PM-ECU 181 stellt daher die untere Grenze PL_RQ nicht ein. Die PM-ECU 181 berechnet hier als den normalen Fahrzustand die benötigte ACP-Antriebsleistung P_RQ aus dem benötigten Beschleunigungsmoment T_ACC (Schritt S120) und richtet das Anfragesignal SREQ, das die berechnete benötigte ACP-Antriebsleistung P_RQ enthält, an die FC-ECU 182 (Schritt S130).
Wenn die Abnahmerate |ΔD_ACC| des Gaspedalniederdrückbetrags D_ACC pro Zeiteinheit gleich oder höher als der Grenzwert ΔDth (|ΔD_ACC| ≥ ΔDth) ist, fällt die benötigte Fahrzeugleistung P_VHCL stark ab (Schritt S110: Ja) und die PM-ECU 181 stellt daher die untere Grenze PL_RQ ein und berechnet dann die benötigte ACP-Antriebsleistung P_RQ (Schritt S140). Die untere Grenze PL_RQ kann ein voreingestellter fester Wert sein oder kann ein variabler Wert sein, der sich entsprechend dem Zustand des Brennstoffzellensystems 100 und der Sekundärbatterie 140 ändert. Die untere Grenze PL_RQ kann beispielsweise anhand einer Formel berechnet werden, welche die Beziehung zwischen der oberen Grenze der zulässigen Ausgabe W_out der Ausgabeleistung P_out der Sekundärbatterie 140 und der unteren Grenze PL_RQ angibt. Die PM-ECU 181 bestimmt, ob die benötigte ACP-Antriebsleistung P_RQ, die aus dem benötigten Beschleunigungsmoment T_ACC berechnet wurde, niedriger als die untere Grenze PL_RQ ist (Schritt S150).
Wenn die benötigte ACP-Antriebsleistung P_RQ, die aus dem benötigten Beschleunigungsmoment T_ACC berechnet wird, niedriger als die untere Grenze PL_RQ ist, stellt die PM-ECU 181 die untere Grenze PL_RQ als den Wert der benötigten ACP-Antriebsleistung P_RQ ein (Schritt S160). Daher wird eine Konfiguration eingerichtet, bei der die benötigte ACP-Antriebsleistung P_RQ, die von der PM-ECU 181 ausgegeben wird, nicht unter die untere Grenze PL_RQ verringert wird. Dann richtet die PM-ECU 181 das Anfragesignal SREQ, das die benötigte ACP-Antriebsleistung P_RQ als einen Wert gleich der unteren Grenze PL_RQ enthält, an die FC-ECU 182 (Schritt S130). Die PM-ECU 181 richtet das Momentkommando TCOM, das die benötigte Drehzahl R_RQ enthält, die der unteren Grenze PL_RQ entspricht, an die MG-ECU 184. Daher steuert die MG-ECU 184 die ACP 138 derart, dass das Ausgabemoment, das der unteren Grenze PL_RQ entspricht, generiert wird. Wenn die benötigte ACP-Antriebsleistung P_RQ, die aus dem benötigten Beschleunigungsmoment T_ACC berechnet wird, nicht niedriger als die untere Grenze PL_RQ ist, richtet die PM-ECU 181 ein Anfragesignal SREQ, das die berechnete benötigte ACP-Antriebsleistung P_RQ enthält, an die FC-ECU 182 (Schritt S130).
4 ist ein Zeitdiagramm, das beispielhaft einen Zustand des Brennstoffzellenfahrzeugs 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform darstellt. 4 stellt beispielhaft dar, wie sich der Gaspedalniederdrückbetrag D_ACC, das benötigte Beschleunigungsmoment T_ACC, das benötigte Fahrmoment T_MOD, das Ist-Moment T_ACT, die benötigte Fahrzeugleistung P_VHCL, die generierte FC-Leistung P_FC und die benötigte ACP-Antriebsleistung P_RQ über der Zeit verändern. Darüber hinaus ist die untere Grenze PL_RQ in 4 beispielhaft dargestellt. In einem nachfolgend beschriebenen Fall wird angenommen, dass der Fahrer zu einem Zeitpunkt T1 beginnt, das Gaspedal bzw. den Beschleuniger auf AUS zu setzen, und das Gaspedal zu einem Zeitpunkt T3 vollständig auf AUS gesetzt ist. Weiter wird in dem unten beschriebenen Fall angenommen, dass die Abnahmerate |ΔD_ACC| des Gaspedalniederdrückbetrags D_ACC in einer Zeitspanne zwischen T1 und T3 gleich oder höher als der Grenzwert ΔDth (|ΔD_ACC| < ΔDth) ist. In dem unten beschriebenen Fall wird angenommen, dass der Wert der benötigten ACP-Antriebsleistung P_RQ, der aus dem benötigten Beschleunigungsmoment T_ACC berechnet wird, zu einem Zeitpunkt T2 niedriger als die untere Grenze PL_RQ wird.
Das benötigte Beschleunigungsmoment T_ACC entspricht dem Gaspedalniederdrückbetrag D_ACC und beginnt daher zu dem Zeitpunkt T1 zu fallen, um zu dem Zeitpunkt T3 0 zu sein. Aufgrund der Ratenverarbeitung der Änderungsrate des benötigten Beschleunigungsmoments T_ACC fällt das benötigte Fahrmoment T_MOD flacher als das benötigte Beschleunigungsmoment T_ACC. Die benötigte Fahrzeugleistung P_VHCL, die generierte FC-Leistung P_FC und das Ist-Moment T_ACT entsprechen dem benötigten Fahrmoment T_MOD und fallen daher in einer Zeitspanne zwischen T1 und T4 ähnlich flach. Die benötigte ACP-Antriebsleistung P_RQ entspricht dem benötigten Beschleunigungsmoment T_ACC und fällt daher während der Zeitspanne zwischen T1 und T3. Der Wert der benötigten ACP-Antriebsleistung P_RQ ist die untere Grenze PL_RQ zu und nach dem Zeitpunkt T2. Daher wird die ACP 138 konstant entsprechend der unteren Grenze PL_RQ der benötigten ACP-Antriebsleistung P_RQ zu und nach dem Zeitpunkt T2 betrieben.
5 ist ein Zeitdiagramm, das beispielhaft einen Zustand eines Brennstoffzellenfahrzeugs gemäß eines Vergleichsbeispiels darstellt. Wie in 4 ist in 5 beispielhaft dargestellt, wie sich der Gaspedalniederdrückbetrag D_ACC, das benötigte Beschleunigungsmoment T_ACC, das benötigte Fahrmoment T_MOD, das Ist-Moment T_ACT, die benötigte Fahrzeugleistung P_VHCL, die generierte FC-Leistung P_FC und die benötigte ACP-Antriebsleistung P_RQ über der Zeit verändern. 5 stellt zudem beispielhaft dar, wie sich die Ausgabeleistung P_out der Sekundärbatterie 140 über die Zeit verändert, und stellt beispielhaft die zulässige obere Ausgabegrenze W_out der Ausgabeleistung Pout dar. Die zulässige obere Ausgabegrenze W_out in diesem Beispiel ist der kleinere Wert von der zulässigen oberen Ausgabegrenze W_out, die von dem von der SOC-Erfassungseinheit 142 erfassten SOC und der SOC-Lade-Entlade-Charakteristik erzielt wird, und der zulässigen oberen Ausgabegrenze W_out, die aus der von der SOC-Erfassungseinheit 142 erfassten Temperatur Tba und der Temperatur-Lade-Entlade-Charakteristik erzielt wird.
Das Brennstoffzellenfahrzeug gemäß dem Vergleichsbeispiel ist das gleiche wie das Brennstoffzellenfahrzeug 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform, außer dass die Einstellsteuerung der unteren Grenze der benötigten Antriebsleistung nicht ausgeführt wird. In einem unten beschriebenen Fall wird angenommen, dass der Fahrer zu dem Zeitpunkt T1 beginnt, das Gaspedal bzw. den Beschleuniger zurückzunehmen bzw. auf AUS zu schalten und das Gaspedal bzw. der Beschleuniger zu dem Zeitpunkt T3 vollständig zurückgenommen ist bzw. auf AUS geschalten ist, wie in 4. Wenn der Fahrer den Beschleuniger AUS schaltet, fällt das benötigte Beschleunigungsmoment T_ACC, das benötigte Fahrmoment T_MOD und die benötigte Fahrzeugleistung P_VHCL in einer Weise ähnlich zu der der vorliegenden Ausführungsform.
Bei keiner eingestellten unteren Grenze PL_RQ fällt die benötigte ACP-Antriebsleistung P_RQ in der Zeitspanne zwischen T1 und T3, um zu dem Zeitpunkt T3 0 zu sein. Wenn die benötigte ACP-Antriebsleistung P_RQ auf 0 fällt, stoppt die ACP 138, so dass der Brennstoffzelle 110 kein Sauerstoff (Luft) mehr zugeführt wird. Im Ergebnis stoppt die Leistungserzeugung aufgrund des Sauerstoffmangels (Luftdefizits), und die generierte FC-Leistung P_FC fällt auf 0. Wenn die generierte FC-Leistung P_FC niedriger als die benötigte Fahrzeugleistung P_VHCL ist, wird die Ausgabeleistung P_out der Sekundärbatterie 140 dem Fahrmotor 136 zugeführt, um den Mangel zu kompensieren. Wenn jedoch der SOC der Sekundärbatterie 140 niedrig ist, da das Fahrzeug auf einer Autobahn fährt, oder wenn die Temperatur der Sekundärbatterie 140 niedrig ist, schlägt die Kompensation des Mangels aufgrund der niedrigen zulässigen oberen Ausgabegrenze W_out fehl. Daher gerät das Fahrzeug in einen Zustand (Drehmomentstoß), in dem das Ist-Moment T_ACT des Fahrmotors 136 stark fällt und die Beschleunigung stark fällt. In dem Brennstoffzellenfahrzeug 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform, in dem die Einstellsteuerung der unteren Grenze der benötigten Antriebsleistung wie oben beschrieben durchgeführt wird, kann die Luft (der Sauerstoff) zu und nach dem Zeitpunkt T3 der Brennstoffzelle 110 zugeführt werden. Daher kann die Brennstoffzelle 110 die Leistungserzeugung beibehalten, wodurch der durch das Luftdefizit hervorgerufene Drehmomentstoß verhindert werden kann.
In dem Brennstoffzellenfahrzeug 10 gemäß der oben beschriebenen vorliegenden Ausführungsform fällt die benötigte ACP-Antriebsleistung P_RQ mit einer höheren Abnahmerate als die Abnahmerate der benötigten generierten Leistung, wenn die benötigte generierte Leistung (benötigte Fahrzeugleistung P_VHCL) stark fällt. Daher kann das Austrocknen der Brennstoffzelle 110 verhindert werden und die durch die übermäßige Leistungserzeugung hervorgerufene Verschlechterung der Kraftstoffeffizienz kann verringert werden. Wenn die benötigte ACP-Antriebsleistung P_RQ, die aus dem benötigten Beschleunigungsmoment T_ACC berechnet wird, niedriger als die untere Grenze PL_RQ ist, wird die ACP 138 entsprechend der unteren Grenze PL_RQ betrieben. Daher kann die Brennstoffzelle 110 daran gehindert werden, dass sie in den durch den Sauerstoffmangel hervorgerufenen leistungserzeugungsunfähigen Zustand fällt.
B. Zweite Ausführungsform
6 ist ein Zeitdiagramm, das beispielhaft einen Zustand eines Brennstoffzellenfahrzeugs 10A gemäß einer zweiten Ausführungsform darstellt. 6 stellt beispielhaft dar, wie sich der Gaspedalniederdrückbetrag D_ACC, die Fahrzeuggeschwindigkeit S_VHCL, die zulässige obere Ausgabegrenze W_out der Ausgabeleistung Pout der Sekundärbatterie 140 und ein AN/AUS Zustand eines Ausführungsflags einer Einstellsteuerung einer unteren Grenze einer benötigten Antriebsleistung über der Zeit verändern. Das Brennstoffzellenfahrzeug 10A gemäß der zweiten Ausführungsform ist das gleiche wie das Brennstoffzellenfahrzeug 10 gemäß der ersten Ausführungsform, abgesehen vom Inhalt der „voreingestellten Bedingung“ in dem Schritt S110 in der Einstellsteuerung der unteren Grenze der benötigten Antriebsleistung (3). Die „voreingestellte Bedingung“ für das Brennstoffzellenfahrzeug 10A gemäß der zweiten Ausführungsform ist, dass die Abnahmerate |ΔD_ACC| (0 > ΔD_ACC) des Gaspedalniederdrückbetrags D_ACC pro Zeiteinheit gleich oder höher als ein Grenzwert ΔDth2 (beispielsweise, 5 [%/s]) ist, die Fahrzeuggeschwindigkeit S_VHCL des Brennstoffzellenfahrzeugs 10A gleich oder niedriger als ein Grenzwert Sth (beispielsweise, 60 [km/h]) ist und die zulässige obere Ausgabegrenze W_out der Ausgabeleistung Pout der Sekundärbatterie 140 gleich oder niedriger als ein Grenzwert Wth [W] ist. Die zulässige obere Ausgabegrenze W_out ist wie in der ersten Ausführungsform der kleinere Wert von der zulässigen oberen Ausgabegrenze W_out, die aus der SOC Lade-Entlade-Charakteristik erzielt wurde, und der zulässigen oberen Ausgabegrenze W_out, die aus der Temperatur-Lade-Entlade-Charakteristik erzielt wurde. Der „Grenzwert ΔDth2“ entspricht einem „zweiten Grenzwert“, der „Grenzwert Sth“ entspricht einem „dritten Grenzwert“ und der „Grenzwert Wth“ entspricht einem „vierten Grenzwert“.
In dieser Konfiguration wird die untere Grenze PL_RQ der benötigten ACP-Antriebsleistung P_RQ nur eingestellt, wenn die Sekundärbatterie 140 eine geringe Menge an Ausgabeleistung P_out dem Fahrmotor 136 zuführen kann und daher wahrscheinlich nicht den Mangel vollständig kompensieren kann, d.h. wenn der Drehmomentstoß wahrscheinlich auftritt. Wenn eine ausreichende Menge an Ausgabeleistung Pout von der Sekundärbatterie 140 dem Fahrmotor 136 zugeführt werden kann, wird die untere Grenze PL_RQ der benötigten ACP-Antriebsleistung P_RQ nicht eingestellt, da der Drehmomentstoß weniger wahrscheinlich auftritt. Daher wird ein Einstellen der unteren Grenze PL_RQ der benötigten ACP-Antriebsleistung P_RQ verhindert, wenn es nicht notwendig ist.
C. Dritte Ausführungsform
7 ist eine schematische Ansicht, die beispielhaft eine Beziehung zwischen der zulässigen oberen Ausgabegrenze W_out der Ausgabeleistung Pout der Sekundärbatterie 140 und der unteren Grenze PL_RQ der benötigten ACP-Antriebsleistung P_RQ gemäß einer dritten Ausführungsform darstellt. Das Brennstoffzellenfahrzeug 10B gemäß der dritten Ausführungsform ist das gleiche wie das Brennstoffzellenfahrzeug 10 gemäß der ersten Ausführungsform abgesehen von der Art, wie die untere Grenze PL_RQ eingestellt wird. Die untere Grenze PL_RQ gemäß der dritten Ausführungsform ist ein variabler Wert, der den Werten des zulässigen oberen Grenzwerts W_out und der benötigten Fahrzeugleistung P_VHCL entspricht. Die zulässige obere Ausgabegrenze W_out gemäß der dritten Ausführungsform ist wie in der ersten Ausführungsform der kleinere Wert von der zulässigen oberen Ausgabegrenze W_out, die aus der SOC Lade-Entlade-Charakteristik erzielt wurde, und der zulässigen oberen Ausgabegrenze W_out, die aus der Temperatur Lade-Entlade-Charakteristik erzielt wurde. Die PM-ECU 181 gemäß der dritten Ausführungsform hat ein der 7 entsprechendes Kennfeld. Wie die PM-ECU 181 gemäß der dritten Ausführungsform die untere Grenze PL_RQ berechnet, wird unten beschrieben.
8 ist ein Zeitdiagramm, das beispielhaft einen Zustand des Brennstoffzellenfahrzeugs 10B gemäß der dritten Ausführungsform darstellt. 8 stellt beispielhaft dar, wie sich die benötigte Fahrzeugleistung P_VHCL und die benötigte ACP-Antriebsleistung P_RQ über der Zeit ändern. 8 stellt die untere Grenze PL_RQ der benötigten ACP-Antriebsleistung P_RQ dar. Die PM-ECU 181 gemäß der dritten Ausführungsform berechnet die untere Grenze PL_RQ in dem Schritt S140 in der Einstellsteuerung der unteren Grenze der benötigten Antriebsleistung (3). Genauer gesagt berechnet die PM-ECU 181 die zulässige obere Ausgabegrenze W_out aus dem von der SOC-Erfassungseinheit 142 erfassten SOC, der SOC Lade-Entlade-Charakteristik, der von der SOC-Erfassungseinheit 142 erfassten Temperatur Tba und der Temperatur Lade-Entlade-Charakteristik, und berechnet die untere Grenze PL_RQ aus der zulässigen oberen Ausgabegrenze W_out und dem in 7 dargestellten Kennfeld. Dann bestimmt die PM-ECU 181, ob die berechnete untere Grenze PL_RQ höher als die benötigte Fahrzeugleistung P_VHCL ist. Wenn die berechnete untere Grenze PL_RQ nicht höher als die benötigte Fahrzeugleistung P_VHCL ist, vergleicht die PM-ECU 181 die aus dem Kennfeld in 7 berechnete untere Grenze PL_RQ mit der benötigten ACP-Antriebsleistung P_RQ (Schritt S150 in 3). Wenn die berechnete untere Grenze PL_RQ höher als die benötigte Fahrzeugleistung P_VHCL ist, stellt die PM-ECU 181 den Wert der benötigten Fahrzeugleistung P_VHCL als die untere Grenze PL_RQ ein. Daher fungiert der Wert der benötigten Fahrzeugleistung P_VHCL als eine obere Grenze (Führungswert) der unteren Grenze PL_RQ.
In dieser Konfiguration kann die untere Grenze PL_RQ der benötigten ACP-Antriebsleistung P_RQ entsprechend der Größe der Ausgabeleistung P_out, die dem Fahrmotor 136 von der Sekundärbatterie 140 zugeführt werden kann, verändert werden. Die Brennstoffzelle 110 kann daher noch effektiver daran gehindert werden, in den durch den Sauerstoffmangel hervorgerufenen leistungserzeugungsunfähigen Zustand zu kommen. Die untere Grenze PL_RQ kann entsprechend der Größe der benötigten Fahrzeugleistung P_VHCL der Brennstoffzelle 110 verändert werden. Daher kann eine übermäßige Zuführung von Sauerstoff zu der Brennstoffzelle 110 verhindert werden, wenn die ACP 138 entsprechend mit der untere Grenze PL_RQ betrieben wird.
D. Modifikationen:
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Ausführungsformen beschränkt und kann in verschiedenen Formen implementiert werden, ohne von dem Kern der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Beispielsweise kann ein Teil oder die Gesamtheit der Funktionen und der von dem Kontroller 180 durchgeführten Prozesse durch Software oder Hardware implementiert werden. Beispiele der Hardware beinhalten verschiedene Formen von Schaltungen (Schaltkreise), wie beispielsweise eine integrierte Schaltung, eine diskrete Schaltung oder ein Schaltungsmodul, das diese Schaltungen in Kombination beinhaltet. Die folgenden Modifikationen sind auch anwendbar.
D-1. Modifikation 1:
In der ersten bis zur dritten Ausführungsform ist die zulässige obere Ausgabegrenze W_out der Ausgabeleistung Pout der Sekundärbatterie 140 der kleinere Wert von der zulässigen oberen Ausgabegrenze W_out, die aus der SOC Lade-Entlade-Charakteristik erzielt wurde, und der zulässigen oberen Ausgabegrenze W_out, die aus der Temperatur Lade-Entlade-Charakteristik erzielt wurde. Alternativ kann die zulässige obere Ausgabegrenze W_out der größere Wert von der zulässigen oberen Ausgabegrenze W_out, die aus der SOC Lade-Entlade-Charakteristik erzielt wurde, und der zulässigen oberen Ausgabegrenze W_out, die aus der Temperatur-Lade-Entlade-Charakteristik erzielt wurde, sein. Daher kann der zulässige obere Grenzwert W_out aus irgendeiner der SOC Lade-Entlade-Charakteristik und der Temperatur-Lade-Entlade-Charakteristik berechnet werden.
D-2. Modifikation 2:
In der ersten bis zur dritten Ausführungsform wird der Brennstoffzelle 110 Sauerstoff von dem Luftverdichter (ACP) 138 zugeführt. Alternativ kann eine andere Pumpe als der Luftverdichter verwendet werden, um der Brennstoffzelle 110 Sauerstoff zuzuführen. In der ersten bis zur dritten Ausführungsform ist die benötigte ACP-Antriebsleistung P_RQ eine Leistung, die benötigt wird, um den Antriebszustand der ACP 138 entsprechend dem benötigten Beschleunigungsmoment T_ACC zu erreichen. Die benötigte ACP-Antriebsleistung P_RQ kann eine von der Antriebsleistung für die ACP 138 verschiedene Leistung enthalten, wie beispielsweise eine Ventilantriebsleistung.

Claims

Brennstoffzellensystem (100), das in einem Fahrzeug (10) installiert ist, wobei das Brennstoffzellensystem (100) aufweist: eine Brennstoffzelle (110), die einem das Fahrzeug (10) antreibenden Fahrmotor (136) Leistung zuführt; eine Pumpe (138), die der Brennstoffzelle (110) Sauerstoff zuführt; eine Gaspedalpositionserfassungseinheit (190), die einen Gaspedalniederdrückbetrag des Fahrzeugs (10) erfasst; eine Sekundärbatterie (140), die dem Fahrmotor (136) Leistung zuführen kann; eine Ladezustandserfassungseinheit (142), die eine Temperatur und einen Ladezustand der Sekundärbatterie (140) erfasst; und einen Kontroller (180), der auf Basis des Gaspedalniederdrückbetrags eine benötigte generierte Leistung der Brennstoffzelle (110) und eine benötigte Antriebsleistung der Pumpe (138) berechnet, wobei, wenn eine voreingestellte Bedingung zum Verursachen einer starken Abnahme der berechneten benötigten generierten Leistung erfüllt ist, der Kontroller (180) die benötigte Antriebsleistung in einer solchen Weise berechnet, dass eine Abnahmerate der benötigten Antriebsleistung höher als eine Abnahmerate der berechneten benötigten generierten Leistung wird, eine untere Grenze auf die berechnete benötigte Antriebsleistung einstellt und die Pumpe (138) entsprechend der unteren Grenze antreibt, wenn die berechnete benötigte Antriebsleistung niedriger als die untere Grenze ist, der Kontroller (180) die zulässige oberen Ausgabegrenze der Sekundärbatterie (140) auf Basis der Temperatur und/oder des Ladezustands der Sekundärbatterie (140) berechnet, und der Kontroller (180) die untere Grenze der benötigten Antriebsleistung auf Basis der zulässigen oberen Ausgabegrenze und der benötigten generierten Leistung der Brennstoffzelle (110) berechnet.
Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1, wobei die voreingestellte Bedingung ist, dass eine Abnahmerate des Gaspedalniederdrückbetrags gleich oder höher als ein erster Grenzwert ist.
Brennstoffzellensystem (100), das in einem Fahrzeug (10) installiert ist, wobei das Brennstoffzellensystem (100) aufweist: eine Brennstoffzelle (110), die einem das Fahrzeug (10) antreibenden Fahrmotor (136) Leistung zuführt; eine Pumpe (138), die der Brennstoffzelle (110) Sauerstoff zuführt; eine Gaspedalpositionserfassungseinheit (190), die einen Gaspedalniederdrückbetrag des Fahrzeugs (10) erfasst; eine Sekundärbatterie (140), die dem Fahrmotor (136) Leistung zuführen kann, eine Fahrzeuggeschwindigkeitserfassungseinheit (139), die eine Fahrzeuggeschwindigkeit des Fahrzeugs (10) erfasst; eine Ladezustandserfassungseinheit (142), die eine Temperatur und einen Ladezustand der Sekundärbatterie (140) erfasst; und einen Kontroller (180), der auf Basis des Gaspedalniederdrückbetrags eine benötigte generierte Leistung der Brennstoffzelle (110) und eine benötigte Antriebsleistung der Pumpe (138) berechnet, wobei, wenn eine voreingestellte Bedingung zum Verursachen einer starken Abnahme der berechneten benötigten generierten Leistung erfüllt ist, der Kontroller (180) die benötigte Antriebsleistung in einer solchen Weise berechnet, dass eine Abnahmerate der benötigten Antriebsleistung höher als eine Abnahmerate der berechneten benötigten generierten Leistung wird, eine untere Grenze auf die berechnete benötigte Antriebsleistung einstellt und die Pumpe (138) entsprechend der unteren Grenze antreibt, wenn die berechnete benötigte Antriebsleistung niedriger als die untere Grenze ist, der Kontroller (180) eine zulässige obere Ausgabegrenze der Sekundärbatterie (140) auf Basis der Temperatur und/oder des Ladezustands der Sekundärbatterie (140) berechnet; und die voreingestellte Bedingung ist, dass eine Abnahmerate des Gaspedalniederdrückbetrags gleich oder höher als ein zweiter Grenzwert ist, die Fahrzeuggeschwindigkeit gleich oder niedriger als ein dritter Grenzwert ist und die zulässige obere Ausgabegrenze gleich oder niedriger als ein vierter Grenzwert ist.
Verwendung eines Brennstoffzellensystems (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 in einem Fahrzeug (10), aufweisend: einen Fahrmotor (136), der das Fahrzeug (10) mit von dem Brennstoffzellensystem (100) zugeführter Leistung antreibt.
Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems (100), das in einem Fahrzeug (10) installiert ist, wobei das Brennstoffzellensystem (100) eine Brennstoffzelle (110) enthält, die einem Fahrmotor (136), der das Fahrzeug (10) antreibt, Leistung zuführt; eine Pumpe (138), die der Brennstoffzelle (110) Sauerstoff zuführt; und Sekundärbatterie (140), die dem Fahrmotor (136) Leistung zuführen kann, wobei das Verfahren aufweist: Erfassen eines Gaspedalniederdrückbetrags des Fahrzeugs (10) und Berechnen einer benötigten generierten Leistung der Brennstoffzelle (110) und einer benötigten Antriebsleistung der Pumpe (138) auf Basis des Gaspedalniederdrückbetrags; Erfassen einer Temperatur und eines Ladezustands der Sekundärbatterie (140) und Berechnen einer zulässigen oberen Grenze der Sekundärbatterie (140) auf Basis der Temperatur und/oder des Ladezustands der Sekundärbatterie (140); Berechnen einer unteren Grenze der benötigten Antriebsleistung auf Basis der zulässigen oberen Ausgabegrenze und der benötigten generierten Leistung der Brennstoffzelle (110); und Berechnen der benötigten Antriebsleistung, wenn eine voreingestellte Bedingung zum Verursachen einer starken Abnahme der berechneten benötigten generierten Leistung erfüllt ist, in einer solchen Weise, dass eine Abnahmerate der benötigten Antriebsleistung höher als eine Abnahmerate der berechneten benötigten generierten Leistung wird, Einstellen einer unteren Grenze auf die berechnete benötigte Antriebsleistung und Antreiben der Pumpe (138) entsprechend der unteren Grenze, wenn die berechnete benötigte Antriebsleistung niedriger als die untere Grenze ist.
Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems (100) nach Anspruch 5, wobei die voreingestellte Bedingung ist, dass eine Abnahmerate des Gaspedalniederdrückbetrags gleich oder höher als ein erster Grenzwert ist.
Verfahren zum Steuern eines Brennstoffzellensystems (100), das in einem Fahrzeug (10) installiert ist, wobei das Brennstoffzellensystem (100) eine Brennstoffzelle (110) enthält, die einem Fahrmotor (136), der das Fahrzeug (10) antreibt, Leistung zuführt; eine Pumpe (138), die der Brennstoffzelle (110) Sauerstoff zuführt; und eine Sekundärbatterie (140), die dem Fahrmotor (136) Leistung zuführen kann, wobei das Verfahren aufweist: Erfassen eines Gaspedalniederdrückbetrags des Fahrzeugs (10) und Berechnen einer benötigten generierten Leistung der Brennstoffzelle und einer benötigten Antriebsleistung der Pumpe (138) auf Basis des Gaspedalniederdrückbetrags; Erfassen einer Temperatur und eines Ladezustands der Sekundärbatterie (140) und Berechnen einer zulässigen oberen Grenze der Sekundärbatterie (140) auf Basis der Temperatur und/oder des Ladezustands der Sekundärbatterie (140); und Berechnen der benötigten Antriebsleistung, wenn eine voreingestellte Bedingung zum Verursachen einer starken Abnahme der berechneten benötigten generierten Leistung erfüllt ist, in einer solchen Weise, dass eine Abnahmerate der benötigten Antriebsleistung höher als eine Abnahmerate der berechneten benötigten generierten Leistung wird, Einstellen einer unteren Grenze auf die berechnete benötigte Antriebsleistung und Antreiben der Pumpe (138) entsprechend der unteren Grenze, wenn die berechnete benötigte Antriebsleistung niedriger als die untere Grenze ist, wobei die voreingestellte Bedingung ist, dass eine Abnahmerate des Gaspedalniederdrückbetrags gleich oder höher als ein zweiter Grenzwert ist, die Fahrzeuggeschwindigkeit gleich oder niedriger als ein dritter Grenzwert ist und die zulässige obere Ausgabegrenze gleich oder niedriger als ein vierter Grenzwert ist.