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Querverweis auf verwandte Anmeldungen
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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität basierend auf der
japanischen Patentanmeldung mit der Nummer 2014-230379 , welche am 13. November 2014 angemeldet wurde und deren Offenbarung hierin durch Inbezugnahme mit aufgenommen ist.
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Hintergrund
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Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle.
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Stand der Technik
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Um ein Austrocknen einer Brennstoffzelle zu erfassen, ist ein Verfahren zum Aufbringen eines Wechselstroms auf die Brennstoffzelle bekannt. Durch Aufbringen eines Wechselstroms auf diese Art und Weise entspricht der Messwert der Zellenspannung einem Wert, für welchen die Spannung des Wechselstroms mit der Leistungserzeugungsspannung überlagert ist (
JP 2007-053013 ).
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Kurzfassung
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Üblicherweise wird die Zellenspannung gesteuert, um die Leistungserzeugung durch eine Brennstoffzelle zu steuern. Im Falle des vorstehend angegebenen Standes der Technik wird jedoch die Spannung des Wechselstroms mit dem Messwert der Zellenspannung überlagert, wie vorstehend angegeben, so dass die Steuerung der Brennstoffzelle aufgrund des Effekts des Wechselstroms manchmal instabil ist. Dieses Problem ist nicht auf das Steuern der Zellenspannung beschränkt, sondern tritt ebenso in Fällen des Steuerns irgendwelcher Werte auf, die einen Leistungserzeugungszustand durch eine Brennstoffzelle zeigen und Werten entsprechen, die durch den Wechselstrom beeinflusst werden (nachfolgend als „ein der Steuerung unterzogener Wert” bezeichnet). Die vorliegende Erfindung berücksichtigt die vorstehend angegebenen Gesichtspunkte und Aufgabe ist es, die Steuerung des der Steuerung unterzogenen Werts zu stabilisieren, auch wenn ein Wechselstrom auf die Brennstoffzelle aufgebracht wird.
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Die vorliegende Erfindung wurde geschaffen, um das vorstehend angegebene Problem zu adressieren, und diese kann als die nachstehend angegebenen Aspekte realisiert sein.
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Bei einem Aspekt ist ein Brennstoffzellensystem vorgesehen. Dieses Brennstoffzellensystem ist ausgerüstet mit einer Leistungserzeugungs-Steuerungsvorrichtung, welche einen einer Steuerung unterzogenen Wert, der einem Wert entspricht, der einen Leistungserzeugungszustand durch eine Brennstoffzelle zeigt, und der einem Wert entspricht, welcher durch einen auf die Brennstoffzelle aufgebrachten Wechselstrom beeinflusst wird, derart steuert, dass sich dieser einem Zielwert annähert, einer Totzonen-Einstellvorrichtung, welche eine Totzone mit dem Zielwert als eine Referenz einstellt, und einer Stopp-Vorrichtung bzw. einem Stopper, welcher die Steuerung durch die Leistungserzeugungs-Steuerungsvorrichtung beendet bzw. stoppt, wenn der der Steuerung unterzogene Wert in der Totzone enthalten ist bzw. liegt. Bei dieser Art und Weise ist es einfacher, die Steuerung des der Steuerung unterzogenen Werts zu stabilisieren, auch wenn ein Wechselstrom auf die Brennstoffzelle aufgebracht wird. Dies liegt daran, auch wenn der der Steuerung unterzogene Wert durch den Wechselstrom beeinflusst wird, kann verhindert werden, dass die Steuerung der Leistungserzeugungs-Steuerungsvorrichtung diesem Effekt folgt, da die Totzone eingestellt ist.
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Bei dem vorstehend angegebenen Aspekt kann die Leistungserzeugungs-Steuerungsvorrichtung einen Wert als den der Steuerung unterzogenen Wert erlangen, für welchen ein Glättungsvorgang in Zeitfolge hinsichtlich einer physikalischen Größe erfolgte, die den Leistungserzeugungszustand angibt. Auf diese Art und Weise ist die Steuerung stabiler.
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Bei den vorstehend angegebenen Aspekten kann ein Selektor bzw. eine Auswahlvorrichtung als Verarbeitungsbedingungen, die für den Glättungsvorgang verwendet werden, Bedingungen eines stabilen Zustands auswählen, wenn der Leistungserzeugungszustand einem stabilen Zustand entspricht, und kann Übergangszustandsbedingungen auswählen, wenn der Leistungserzeugungszustand einem Übergangszustand entspricht. Auf diese Art und Weise können die Glättungsvorgangsbedingungen demgemäß, ob sich der Leistungserzeugungszustand in dem stabilen Zustand oder dem Übergangszustand befindet, ausgewählt sein.
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Bei den vorstehend angegebenen Aspekten kann die Totzonen-Einstellvorrichtung als eine Abschnittsbreite bzw. Bandbreite der Totzone einen Bereich mit einer Breite bzw. Größe der Amplitude des durch Ausführen des Glättungsvorgangs hinsichtlich der Wechselstromkomponente unter Verwendung der Bedingungen des stabilen Zustands erhaltenen Werts oder größer einstellen. Auf diese Art und Weise ist es einfach, die Leistungserzeugungs-Steuerungsvorrichtung zu stoppen, wenn der Leistungserzeugungszustand dem stabilen Zustand entspricht, so dass sich die Steuerung des der Steuerung unterzogenen Werts stabilisiert.
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Bei den vorstehend angegebenen Aspekten können die Übergangszustandsbedingungen Bedingungen entsprechen, für welche der Wert mit der sich näher an der Gegenwart befindlichen Zeit durch den der Steuerung unterzogenen Wert stärker reflektiert wird als bei den Bedingungen des stabilen Zustands. Auf diese Art und Weise ist das Ansprechverhalten der Steuerung des der Steuerung unterzogenen Werts gut, wenn der Leistungserzeugungszustand dem Übergangszustand entspricht.
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Bei den vorstehend angegebenen Aspekten kann die Totzonen-Einstellvorrichtung als eine Abschnittsbreite bzw. Bandbreite der Totzone einen Bereich mit einer kleineren Breite einstellen als die Amplitude eines Werts, welcher durch Ausführen des Glättungsvorgangs hinsichtlich der Wechselstromkomponente unter Verwendung der Übergangszustandsbedingungen erhalten wird. Auf diese Art und Weise ist die Totzone auf einen Bereich mit einer kleinen Breite eingestellt, wie vorstehend angegeben, so dass das Ansprechverhalten der Steuerung des der Steuerung unterzogenen Werts gut ist.
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Bei den vorstehend angegebenen Aspekten kann der Selektor bzw. die Auswahlvorrichtung basierend auf der Stromwertschwankung und/oder der Spannungswertschwankung ermitteln, ob der Leistungserzeugungszustand dem Übergangszustand oder dem stabilen Zustand entspricht. Auf diese Art und Weise kann auf einfache Art und Weise ermittelt werden, ob der Leistungserzeugungszustand dem Übergangszustand oder dem stabilen Zustand entspricht.
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Bei den vorstehend angegebenen Aspekten kann eine Schaltung das Aufbringen des Wechselstroms und eine Messung der Spannung, für welche der Wechselstrom mit der Leistungserzeugungsspannung der Brennstoffzelle überlagert wurde, ausführen und die Leistungserzeugungs-Steuerungsvorrichtung kann die physikalische Größe basierend auf der durch die Schaltung gemessenen Spannung erlangen. Auf diese Art und Weise können der vorstehend angegebenen Schaltung eine Mehrzahl von Funktionen zugewiesen werden.
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Bei den vorstehend angegebenen Aspekten kann die Schaltung einem Wandler entsprechen, welcher die Leistungserzeugungsspannung umwandelt. Auf diese Art und Weise können dem Wandler eine Mehrzahl von Funktionen zugewiesen werden.
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Bei den vorstehend angegebenen Aspekten kann die physikalische Größe elektrischer Leistung entsprechen. Auf diese Art und Weise können die vorstehend angegebenen Aspekte für eine Steuerung des Leistungswerts verwendet werden.
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Bei den vorstehend angegebenen Aspekten kann die Totzonen-Einstellvorrichtung, wenn die Differenz zwischen dem oberen Grenzwert der Totzone und dem Zielwert kleiner ist als die Differenz zwischen dem Zielwert und dem oberen Grenzwert des Zielwerts, den oberen Grenzwert der Totzone auf einen Wert einstellen, welcher größer ist als der obere Grenzwert des Zielwerts. Auf diese Art und Weise kann die Leistungserzeugungs-Steuerungsvorrichtung gestoppt sein, auch wenn der der Steuerung unterzogene Wert den oberen Grenzwert des Zielwerts überschreitet, falls dieser in dem Bereich der Totzone liegt.
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Die Aspekte können in verschiedenen Modi realisiert sein, welche sich von den vorstehend angegebenen unterscheiden. Diese können beispielsweise in Modi realisiert sein, wie einem Brennstoffzellensteuerverfahren, einem Computerprogramm zum Realisieren dieses Verfahrens, einem nichtflüchtigen Aufnahmemedium zum Speichern dieses Computerprogramms, einer Leistungserzeugungs-Steuerungsvorrichtung zum Ausführen des Computerprogramms oder dergleichen.
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Kurze Beschreibung der Abbildungen
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1 ist eine schematische Ansicht, welche die Konfiguration eines Brennstoffzellensystems zeigt.
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2 ist eine schematische Ansicht, welche die elektrische Konfiguration des Brennstoffzellensystems zeigt.
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3 ist ein Flussdiagramm, welches den Leistungserzeugungs-Steuerungsvorgang zeigt.
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4 ist ein Flussdiagramm, welches den Glättungsbedingungs-Auswahlvorgang zeigt.
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5 ist ein Diagramm, welches ein Beispiel der Effekte der Steuerung durch den Leistungserzeugungs-Steuerungsvorgang zeigt.
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6 ist ein Diagramm zum Vergleichen von Bedingungen eines stabilen Zustands und von Übergangszustandsbedingungen.
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Beschreibung der Ausführungsformen
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1 ist eine schematische Abbildung, welche die Konfiguration eines Brennstoffzellensystems 100 zeigt. Das Brennstoffzellensystem 100 ist mit einer Brennstoffzelle 10, einer Steuerungsvorrichtung 20, einer Kathodengas-Zuführeinheit 30, einer Kathodengas-Abführeinheit 40, einer Anodengas-Zuführeinheit 50, einer Anodengas-Zirkulations-Abführeinheit 60 und einer Kühlmittel-Zuführeinheit 70 ausgerüstet.
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Die Brennstoffzelle 10 ist eine Brennstoffzelle vom Festpolymer-Typ, welche eine Zuführung von Wasserstoff (Anodengas) und Luft (Kathodengas) als Reaktionsgase empfängt und Leistung erzeugt. Die Brennstoffzelle 10 besitzt eine Stapelstruktur, bei welcher eine Mehrzahl (beispielsweise 400) von Zellen 11 geschichtet sind. Jede Zelle 11 besitzt eine Membranelektrodenanordnung, welche einem Leistungserzeugungskörper entspricht, bei welchem Elektroden an beiden Oberflächen einer Elektrolytmembran angeordnet sind, und zwei Separatoren, welche die Membranelektrodenanordnung einfassen.
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Die Elektrolytmembran besteht aus einem dünnen Festpolymer-Film mit einer guten Protonenleitfähigkeit in einem nassen Zustand. Die Elektroden sind unter Verwendung von Kohlenstoff aufgebaut. Auf der Oberfläche der Elektrode auf der Seite der Elektrolytmembran ist ein Platinkatalysator zum Fördern der Leistungserzeugungsreaktion getragen. Ein Sammelrohr bzw. Verteiler (nicht gezeigt) für das Reaktionsgas oder Kühlmittel ist bei jeder Zelle 11 vorgesehen. Das Reaktionsgas des Verteilers wird über einen in jeder Zelle 11 vorgesehenen Gas-Strömungspfad hin zu dem Leistungserzeugungsbereich jeder Zelle 11 geführt.
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Die Steuerungsvorrichtung 20 ist mit einem Selektor bzw. einer Auswahlvorrichtung 23, einer Totzonen-Einstellvorrichtung 26, einem Stopper bzw. einer Stopp-Vorrichtung 27 und einer Leistungserzeugungs-Steuerungsvorrichtung 28 ausgerüstet. Die Steuerungsvorrichtung 20 empfängt eine Leistungserzeugungsanforderung von der Last 200 und steuert jede Baueinheit des nachfolgend beschriebenen Brennstoffzellensystems 100 gemäß dieser Anforderung, um eine Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle 10 zu realisieren.
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Die Kathodengas-Zuführeinheit 30 ist mit einer Kathodengasleitung 31, einem Luftkompressor 32 und einem Absperrventil 34 ausgerüstet. Die Kathodengasleitung 31 entspricht einer Leitung, welche mit der Kathodenseite der Brennstoffzelle 10 verbunden ist. Der Luftkompressor 32 ist über die Kathodengasleitung 31 mit der Brennstoffzelle 10 verbunden und führt Luft, für welche Außenluft aufgenommen und verdichtet wird, als das Kathodengas hin zu der Brennstoffzelle 10. Die Leistungserzeugungs-Steuerungsvorrichtung 28 der Steuerungsvorrichtung 20 assoziiert durch Antreiben des Luftkompressor 32 das Zuführvolumen von Luft hin zu der Brennstoffzelle 10 mit der Leistungszuführung hin zu der Last 200 und führt eine Steuerung durch.
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Das Absperrventil 34 ist zwischen dem Luftkompressor 32 und der Brennstoffzelle 10 vorgesehen und dieses öffnet und schließt sich gemäß der Strömung von Luft, welche mit der Kathodengasleitung 31 zugeführt wird. Genauer ausgedrückt befindet sich das Absperrventil 34 normalerweise in einem geschlossenen Zustand und dieses öffnet sich, wenn Luft mit einem vorgesehenen Druck von dem Luftkompressor 32 hin zu der Kathodengasleitung 31 geführt wird.
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Die Kathodengas-Abführeinheit 40 ist mit einer Kathoden-Abgasleitung 41 und einem Druck-Regulierungsventil 43 ausgerüstet. Die Kathoden-Abgasleitung 41 entspricht einer Leitung, welche mit der Kathodenseite der Brennstoffzelle 10 verbunden ist, und diese gibt Kathoden-Abgas hin zu der Außenseite des Brennstoffzellensystems 100 ab. Das Druck-Regulierungsventil 43 regelt den Druck des Kathoden-Abgases (Gegendruck der Brennstoffzelle 10) bei der Kathoden-Abgasleitung 41.
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Die Anodengas-Zuführeinheit 50 ist mit einer Anodengasleitung 51, einem Wasserstofftank 52, einem Absperrventil 53, einem Regulierer 54 und einem Injektor 55 ausgerüstet. Der Wasserstofftank 52 ist über die Anodengasleitung 51 mit der Anode der Brennstoffzelle 10 verbunden und führt Wasserstoff, welcher in den Tank gefüllt ist, hin zu der Brennstoffzelle 10.
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Das Absperrventil 53, der Regulierer 54, der Injektor 55 und die Anodengasleitung 51 sind ausgehend von der stromaufwärtigen Seite (mit anderen Worten, der Seite in der Nähe des Wasserstofftanks 52) in dieser Reihenfolge vorgesehen. Das Öffnungs-/Schließventil 53 wird durch Befehle von der Steuerungsvorrichtung 20 geöffnet und verschlossen und dieses steuert den Zufluss von Wasserstoff ausgehend von dem Wasserstofftank 52 hin zu der stromaufwärtigen Seite des Injektors 55. Der Regulierer 54 entspricht einem Druck-Reduzierventil zum Regulieren des Drucks von Wasserstoff auf der stromaufwärtigen Seite des Injektors 55.
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Der Injektor 55 entspricht einem Absperrventil vom elektromagnetisch angetriebenen Typ, bei welchem der Ventilkörper gemäß dem Antriebszyklus und der Öffnungs-Ventilzeit, wie durch die Steuerungsvorrichtung 20 eingestellt, elektromagnetisch angetrieben wird. Die Steuerungsvorrichtung 20 steuert das Volumen des hin zu der Brennstoffzelle 10 geführten Wasserstoffs durch Steuern des Antriebszyklus und der Öffnungs-Ventilzeit des Injektors 55.
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Die Anodengas-Zirkulations-Abführeinheit 60 ist mit einer Anoden-Abgasleitung 61, einer Dampf-Flüssigkeits-Abscheideeinheit 62, einer Anodengas-Zirkulationsleitung 63, einer Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64, einer Anoden-Ablaufleitung 65 und einem Ablaufventil 66 ausgerüstet. Die Anoden-Abgasleitung 61 entspricht einer Leitung, welche den Anodenauslass der Brennstoffzelle 10 und die Dampf-Flüssigkeits-Abscheideeinheit 62 verbindet und Anoden-Abgas führt, welches nicht reagiertes Gas (Wasserstoff, Stickstoff oder dergleichen) enthält, das bei der Leistungserzeugungsreaktion nicht verwendet wurde.
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Die Dampf-Flüssigkeits-Abscheideeinheit 62 ist mit der Anodengas-Zirkulationsleitung 63 und der Anoden-Ablaufleitung 65 verbunden. Die Dampf-Flüssigkeits-Abscheideeinheit 62 trennt die in dem Anoden-Abgas enthaltene Dampfkomponente und Feuchtigkeit, und führt die Dampfkomponente hin zu der Anodengas-Zirkulationsleitung 63 und die Feuchtigkeit hin zu der Anoden-Ablaufleitung 65.
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Die Anodengas-Zirkulationsleitung 63 ist stromabwärts des Injektors 55 mit der Anodengasleitung 51 verbunden. Die Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64 ist in der Anodengas-Zirkulationsleitung 63 vorgesehen und Wasserstoff, welcher in der durch die Dampf-Flüssigkeits-Abscheideeinheit 62 abgeschiedenen Dampfkomponente enthalten ist, wird durch die Wasserstoff-Zirkulationspumpe 64 hin zu der Anodengasleitung 51 geführt. Auf diese Art und Weise wird mit diesem Brennstoffzellensystem 100 der in dem Anoden-Abgas enthaltene Wasserstoff zirkuliert bzw. zurückgeführt und durch das erneute Zuführen hin zu der Brennstoffzelle 10 ist die Wasserstoff-Verwendungseffizienz verbessert.
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Die Anoden-Ablaufleitung 65 entspricht einer Leitung zum Abgeben der durch die Dampf-Flüssigkeits-Abscheideeinheit 62 abgeschiedenen Feuchtigkeit hin zu der Außenseite des Brennstoffzellensystems 100. Das Ablaufventil 66 ist in der Anoden-Ablaufleitung 65 vorgesehen und dieses öffnet und schließt sich gemäß Befehlen von der Steuerungsvorrichtung 20. Die Steuerungsvorrichtung 20 schließt das Ablaufventil 66 normalerweise während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 100 und öffnet das Ablaufventil 66 bei einer voreingestellten Ablaufzeit oder einer Abführzeit von Inertgas in dem Anoden-Abgas.
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Die Kühlmittel-Zuführeinheit 70 ist mit einer Kühlmittelleitung 71, einem Kühler 72 und einer Kühlmittel-Zirkulationspumpe 73 ausgerüstet. Die Kühlmittelleitung 71 entspricht einer Leitung, welche die bei der Brennstoffzelle 10 vorgesehenen Einlassverteiler und Auslassverteiler für Kühlmittel verbindet und Kühlmittel zum Kühlen der Brennstoffzelle 10 zirkuliert. Der Kühler 72 ist bei der Kühlmittelleitung 71 vorgesehen und kühlt das Kühlmittel durch einen Wärmeaustausch zwischen dem in der Kühlmittelleitung 71 strömenden Kühlmittel und der Außenluft.
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Die Kühlmittel-Zirkulationspumpe 73 ist weiter auf der stromabwärtigen Seite (Seite des Kühlmitteleinlasses der Brennstoffzelle 10) als der Kühler 72 bei der Kühlmittelleitung 71 vorgesehen und fördert das bei dem Kühler 72 gekühlte Kühlmittel hin zu der Brennstoffzelle 10.
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2 ist eine schematische Abbildung, welche die elektrische Konfiguration des Brennstoffzellensystems 100 zeigt. Zusätzlich zu der vorstehend beschriebenen Steuerungsvorrichtung 20 und dergleichen ist das Brennstoffzellensystem 100 außerdem mit einer Sekundärbatterie 81, einem FDC 82, einem DC/AC-Wechselrichter 83, einem BDC 85, einer Zellenspannungs-Messeinheit 91 und einer Strom-Messeinheit 92 ausgerüstet.
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Die Zellenspannungs-Messeinheit 19 ist mit jeder Zelle 11 der Brennstoffzelle 10 verbunden und misst die Spannung jeder Zelle 11 (Zellenspannung). Die Zellenspannungs-Messeinheit 91 sendet die Messergebnisse hin zu der Steuerungsvorrichtung 20. Die Strom-Messeinheit 92 misst den Wert des Leistungserzeugungsstroms durch die Brennstoffzelle 10 (nachfolgend als „gemessener Stromwert” bezeichnet) und sendet diesen hin zu der Steuerungsvorrichtung 20. Der hin zu der Steuerungsvorrichtung 20 gesendete gemessene Stromwert wird bei dem Selektor 23 eingegeben.
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Der FDC 82 und der BDC 85 entsprechen Schaltungen, welche als DC/DC-Wandler aufgebaut sind. Der FDC 82 steuert den Leistungserzeugungsstrom und die Leistungserzeugungsspannung durch die Brennstoffzelle 10 basierend auf der Steuerung der Steuerungsvorrichtung 20 und wandelt außerdem die Leistungserzeugungsspannung um und führt diese hin zu dem DC/AC-Wechselrichter 83. Darüber hinaus misst der FDC 82 den Leistungserzeugungs-Spannungswert (nachfolgend als „gemessener Spannungswert” bezeichnet) und sendet diesen hin zu der Steuerungsvorrichtung 20. Der hin zu der Steuerungsvorrichtung 20 gesendete gemessene Spannungswert wird bei dem Selektor 23 eingegeben. Der BDC 85 steuert die Ladung und Entladung der Sekundärbatterie 81 basierend auf der Steuerung der Steuerungsvorrichtung 20. Die Sekundärbatterie 81 ist durch eine Lithiumionen-Batterie aufgebaut und dient als eine Hilfs-Leistungsquelle der Brennstoffzelle 10.
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Der DC/AC-Wechselrichter 83 ist mit der Brennstoffzelle 10 und der Last 200 verbunden. Der DC/AC-Wechselrichter 83 wandelt Gleichstrom, welcher von der Brennstoffzelle 10 und der Sekundärbatterie 81 erhalten wird, in Wechselstrom und führt diesen hin zu der Last 200. Die mit der Last 200 erzeugte regenerative Leistung wird durch den DC/AC-Wechselrichter 83 in DC-Strom umgewandelt und durch den BDC 85 in die Sekundärbatterie 81 geladen.
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Der FDC 82 bringt Wechselstromsignale mit einer niedrigen Frequenz (beispielsweise 20 Hz) gemäß Befehlen von der Steuerungsvorrichtung 20 auf die Brennstoffzelle 10 auf. Der FDC 82 überlagert dieses Wechselstromsignal mit dem Leistungserzeugungsstrom von der Brennstoffzelle 10 und bringt dieses auf. Daher entsprechen der gemessene Stromwert durch die Strom-Messeinheit 92 und der gemessene Spannungswert durch den FDC 82 Werten, für welche dieses Wechselstromsignal überlagert ist.
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Das Aufbringen des vorstehend angegebenen Wechselstroms wird ausgeführt, um zu ermitteln, ob die in der Brennstoffzelle 10 enthaltene Elektrolytmembran trocken oder nass ist. Wenn das Wechselstromsignal auf die Brennstoffzelle 10 aufgebracht wird, kann die Impedanz der Brennstoffzelle 10 gemessen werden. Es ist bekannt, dass die Impedanz der Brennstoffzelle 10 das Feuchtigkeitsvolumen innerhalb der Brennstoffzelle 10 widerspiegelt und für die vorstehend angegebene Ermittlung verwendet werden kann.
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3 ist ein Flussdiagramm, welches den Leistungserzeugungs-Steuerungsvorgang zeigt. Der Leistungserzeugungs-Steuerungsvorgang wird während einer Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle 10 durch die Steuerungsvorrichtung 20 wiederholend ausgeführt. Durch das Ausführen des Leistungserzeugungs-Steuerungsvorgangs dient die Steuerungsvorrichtung 20 als die Leistungserzeugungs-Steuerungsvorrichtung, welche das Leistungserzeugungs-Steuerverfahren realisiert.
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Zunächst wird der Glättungsbedingungs-Auswahlvorgang ausgeführt (Schritt S300). 4 ist ein Flussdiagramm, welches den Glättungsbedingungs-Auswahlvorgang zeigt. Jeder Schritt des Glättungsbedingungs-Auswahlvorgangs wird durch den Selektor 23 der Steuerungsvorrichtung 20 ausgeführt. Zunächst wird der Glättungsvorgang betreffend den gemessenen Stromwert ausgeführt (Schritt S310). Bei dieser Ausführungsform wird ein Filterungsvorgang (Annealing-Vorgang) unter Verwendung einer Bewegungsmittelung als das spezifische Verfahren des Glättungsvorgangs verwendet. Die für den Filterungsvorgang verwendeten Bedingungen betreffend den gemessenen Stromwert sind im Vorhinein eingestellt. Diese Bedingungen entsprechen Zeitreihensegmenten und einer Gewichtung für jede Zeit. Dieses Zeitreihensegment entspricht der Länge der Zeit, welche angibt, in welchem Ausmaß die Berechnungsergebnisse ausgehend von der vorliegenden Zeit bzw. Gegenwart in die Vergangenheit reichend reflektiert sind. Die Gewichtung ist derart eingestellt, dass diese schwerer wiegt, umso näher der Wert an der vorliegenden Zeit liegt.
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Nachfolgend wird der Glättungsvorgang betreffend den gemessenen Spannungswert ausgeführt (Schritt S315). Schritt S315 ist ähnlich zu dem Glättungsvorgang bei Schritt S310. Die für diesen Filterungsvorgang verwendeten Bedingungen können gleich oder unterschiedlich zu diesen von Schritt S310 sein.
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Nachfolgend erfolgt eine Ermittlung dahingehend, ob der Absolutwert der Differenz zwischen dem durch den vorstehend angegebenen Glättungsvorgang berechneten Stromwert (geglätteter Stromwert) und dem vorliegend gemessenen Stromwert (vorliegender Stromwert) kleiner als ein Schwellenwert ThI ist (Schritt S320). Schritt S320 entspricht einem Schritt zum Ermitteln, ob sich der Strom in dem Übergangszustand oder dem stabilen Zustand befindet, und der vorstehend angegebene Schwellenwert ThI ist im Vorhinein als der für diese Beurteilung geeignete Wert eingestellt.
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Wenn der Absolutwert der Differenz zwischen den geglätteten Stromwert und dem vorliegenden Stromwert kleiner als der Schwellenwert ThI ist (Schritt S320, Ja), erfolgt eine Ermittlung dahingehend, ob der mit dem vorstehend angegebenen Glättungsvorgang berechnete Spannungswert (geglätteter Spannungswert) und der vorliegend gemessene Spannungswert (vorliegender Spannungswert) kleiner als ein Schwellenwert ThV ist (Schritt S340). Schritt S340 ist ähnlich zu Schritt S320.
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Wenn der Absolutwert der Differenz zwischen dem geglätteten Spannungswert und dem vorliegenden Spannungswert kleiner als der Schwellenwert ThV ist (Schritt S340, Ja), sind Bedingungen eines stabilen Zustands ausgewählt (Schritt S350) und der Glättungsbedingungs-Auswahlvorgang wird beendet. Bedingungen eines stabilen Zustands entsprechen den ausgewählten Bedingungen, wenn sich der Stromwert und der Spannungswert beide in einem stabilen Zustand befinden, mit anderen Worten, wenn sich der Leistungserzeugungszustand in einem stabilen Zustand befindet, und diese werden für den Glättungsvorgang betreffend den gemessenen Leistungswert verwendet (später unter Verwendung von 3 beschrieben).
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Wenn hingegen der Absolutwert der Differenz zwischen dem geglätteten Stromwert und dem vorliegenden Stromwert dem Schwellenwert ThI entspricht oder größer ist (Schritt S320, Nein), oder wenn der Absolutwert der Differenz zwischen dem geglätteten Spannungswert und dem vorliegenden Spannungswert dem Schwellenwert ThV entspricht oder größer ist (Schritt S340, Nein), sind Übergangszustandsbedingungen ausgewählt (Schritt S360) und der Glättungsbedingungs-Auswahlvorgang wird beendet. Die Übergangszustandsbedingungen entsprechen den Bedingungen, welche ausgewählt sind, wenn sich der Stromwert und/oder der Spannungswert in einem Übergangszustand befindet, mit anderen Worten, wenn sich der Leistungserzeugungszustand in einem Übergangszustand befindet, und diese werden für den Glättungsvorgang betreffend den gemessenen Leistungswert verwendet (später unter Verwendung von 3 beschrieben).
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Im Vergleich zu den Übergangszustandsbedingungen entsprechen die Bedingungen des stabilen Zustands Bedingungen, welche derart eingestellt sind, dass die Werte gleichmäßiger sind. Mit anderen Worten, im Vergleich zu den Übergangszustandsbedingungen sind die Bedingungen des stabilen Zustands derart eingestellt, dass diese längere Zeitreihensegmente und eine graduelle Abnahme der Gewichtung in Richtung hin zu der Vergangenheit ausgehend von der vorliegenden Zeit bzw. Gegenwart aufweisen. Der geglättete Leistungswert Ps kann beispielsweise bei dem Übergangszustand als Ps = α1 × Pr1 + α2 × Pr2 berechnet werden, und bei dem stabilen Zustand als Ps = β1 × Pr1 + β2 × Pr2 + β3 × Pr3 berechnet werden. Zu beachten ist, dass α1 > α2, β1 > β2 > β3, α1 + α2 = β1 + β2 + β3 = 1 gilt. Pr1, Pr2 und Pr3 entsprechen gemessenen Leistungswerten zu jeder Zeit und Pr1 liegt vor, wenn die Messzeit am nächsten an der vorliegenden Zeit liegt, Pr2 entspricht dem nächst näheren bzw. nächstliegenden und Pr3 entspricht dem nächst näheren. Außerdem ist, wie beispielsweise mit α1 > β1, der Übergangszustand im Vergleich zu dem stabilen Zustand auf einen Wert näher an der vorliegenden Zeit gewichtet.
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Wenn der Glättungsbedingungs-Auswahlvorgang endet, wie in 3 gezeigt ist, führt die Steuerungsvorrichtung 20 den Glättungsvorgang betreffend den gemessenen Leistungswert aus (Schritt S400). Der gemessene Leistungswert wird unter Verwendung des Produkts des gemessenen Spannungswerts und des gemessenen Stromwerts berechnet. Für diesen Glättungsvorgang werden die mit dem Glättungsbedingungs-Auswahlvorgang ausgewählten Bedingungen verwendet.
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Nachfolgend stellt die Steuerungsvorrichtung 20 einen Ziel-Leistungswert Ptgt ein (Schritt S500). Der Ziel-Leistungswert Ptgt ist basierend auf dem geforderten Leistungswert von der Last 200 eingestellt. Der Ziel-Leistungswert Ptgt ist jedoch unter der Bedingung eingestellt, dass dieser einem oberen Grenz-Leistungswert Pmax entspricht oder geringer ist. Mit anderen Worten, auch wenn der Ziel-Leistungswert Ptgt, welcher den erforderlichen Leistungswert erfüllen kann, den oberen Grenz-Leistungswert Pmax überschreitet, ist der Ziel-Leistungswert Ptgt auf den oberen Grenz-Leistungswert Pmax oder niedriger eingestellt. Der obere Grenz-Leistungswert Pmax entspricht einer Variablen, die basierend auf dem Leistungserzeugungszustand der Brennstoffzelle 10 eingestellt ist, und diese summiert beispielsweise die durch die Brennstoffzelle 10 erzeugte elektrische Leistung, die Leistungserzeugungsspannung, den Leistungserzeugungsstrom, die Temperatur oder dergleichen auf, und ist derart eingestellt, dass diese die Brennstoffzelle 10, wie Sekundärbatterie 81 oder dergleichen schützt.
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Nachfolgend stellt die Totzonen-Einstellvorrichtung 26 die Totzone ein (Schritt S600). Die Totzone ist unter Verwendung von 5 beschrieben.
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5 ist ein Diagramm, welches ein Beispiel der Steuerergebnisse durch den Leistungserzeugungs-Steuerungsvorgang zeigt. Die vertikale Achse des Diagramm zeigt die Leistung und die horizontale Achse zeigt die Zeit. Der Ziel-Leistungswert Ptgt ist zwischen der Zeit t0 und der Zeit t2 auf den Leistungswert P1 eingestellt, und ausgehend von der Zeit t2 und danach auf einen Wert eingestellt, welcher gleich dem oberen Grenz-Leistungswert Pmax ist. Die Totzone ist als ein Bereich eingestellt, bei welchem der Ziel-Leistungswert Ptgt für jede Zeit einem Mittelwert entspricht, und welchem die gleiche Abschnittsbreite DZ oberhalb und unterhalb zugewiesen ist (Ptgt ± DZ).
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Bei dieser Ausführungsform ist die Totzone derart eingestellt, dass diese einen Bereich umfasst, welcher den oberen Grenz-Leistungswert Pmax überschreitet, wenn Pmax – Ptgt < DZ erfüllt ist. Bei dem in 5 gezeigten Fall stimmt der Ziel-Leistungswert Ptgt ausgehend von der Zeit t2 und danach mit dem oberen Grenzwert Pmax überein (Pmax – Ptgt = 0 < DZ), so dass die Totzone einen Bereich umfasst, welcher den oberen Grenz-Leistungswert Pmax überschreitet.
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Der Übergangszustand und der stabile Zustand, wie in 5 gezeigt, sind mit dem zuvor beschriebenen Glättungsbedingungs-Auswahlvorgang eingestellt. Bei dem in 5 gezeigten Fall entspricht die Zeit ausgehend von der Zeit t0 bis hin zu der Zeit t1 und ausgehend von der Zeit t3 bis hin zu der Zeit t4 dem Übergangszustand, und die Zeit ausgehend von der Zeit t1 bis hin zu der Zeit t3 und ausgehend von der Zeit t4 und danach entspricht dem stabilen Zustand.
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Ob der Übergangszustand oder der stabile Zustand vorliegt, ist basierend auf dem Stromwert und dem Spannungswert eingestellt, wie vorstehend beschrieben, so dass, obwohl ein starker Zusammenhang mit der Schwankung des Leistungswerts existiert, dies nicht bedeutet, dass dieser direkt aus der Schwankung des Leistungswerts eingestellt ist.
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Nachfolgend ermittelt der Stopper 27, ob der durch den vorstehend angegebenen Glättungsvorgang berechnete Leistungswert (geglätteter Leistungswert) in dem Bereich der Totzone liegt (Schritt S700).
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Wenn der geglättete Leistungswert nicht in dem Bereich der Totzone liegt (Schritt S700, Nein), führt die Leistungserzeugungs-Steuerungsvorrichtung 28 eine Steuerung für den geglätteten Leistungswert aus, so dass sich dieser dem Ziel-Leistungswert Ptgt annähert (nachfolgend als „Leistungssteuerung” bezeichnet) (Schritt S800), und diese beendet den Leistungserzeugungs-Steuerungsvorgang. Bei dem in 5 gezeigten Fall liegt der geglättete Leistungswert für das Zeitband des überwiegenden Teils ausgehend von der Zeit t0 bis hin zu der Zeit t1 und des überwiegenden Teils ausgehend von der Zeit t2 bis hin zu der Zeit t4 außerhalb des Bereichs der Totzone.
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Wenn hingegen der geglättete Leistungswert in dem Bereich der Totzone liegt (Schritt S700, Ja), überspringt der Stopper 27 Schritt S800 und beendet den Leistungserzeugungs-Steuerungsvorgang. Mit anderen Worten, die Leistungssteuerung wird nicht ausgeführt.
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Bei dem in 5 gezeigten Fall befindet sich der geglättete Leistungswert in dem Zeitband ausgehend von um die bzw. etwa der Zeit t1 bis hin zu der Zeit t2 und ausgehend von etwa der Zeit t4 und danach in dem Beriech der Totzone. Der Grund dafür, warum der Ausdruck „etwa der Zeit t1” und „etwa der Zeit t4” auf diese Art und Weise verwendet wird, liegt darin, da mit Bezug auf das Umschalten zwischen dem Übergangszustand und dem stabilen Zustand dahingehend, ob der geglättete Leistungswert in dem Beriech der Totzone liegt, ein Zeitversatz vorliegt. Falls der geglättete Leistungswert in dem Bereich der Totzone liegt, wird auch dann, wenn der geglättete Leistungswert nicht mit dem Ziel-Leistungswert Ptgt übereinstimmt und eine Abweichung vorliegt, die Leistungssteuerung nicht ausgeführt. Mit anderen Worten, der gegenwärtige Leistungserzeugungszustand wird aufrechterhalten. Beispielsweise wird auch dann, wenn der geglättete Leistungswert den oberen Grenz-Leistungswert Pmax überschreitet, die Steuerung zum Reduzieren des geglätteten Leistungswerts nicht ausgeführt, falls der geglättete Leistungswert in dem Bereich der Totzone liegt.
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6 ist ein Diagramm, welches die Bedingungen des stabilen Zustands und die Übergangszustandsbedingungen vergleicht. 6 zeigt einen Fall, wenn die durch die Brennstoffzelle 10 erzeugte Leistung festgelegt ist. Mit anderen Worten, die in 6 gezeigte Schwankung des gemessenen Spannungswerts liegt an einem Wechselstromsignal.
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In einem solchen Fall wird der Glättungsvorgang unter Verwendung der Bedingungen des stabilen Zustands ausgeführt, da sich der Leistungserzeugungszustand in einem stabilen Zustand befindet. Wie in 6 gezeigt ist, wird der durch die Bedingungen des stabilen Zustands ausgeführte geglättete Leistungswert in einem Zustand stabilisiert, welcher in dem Bereich der Totzone gehalten ist. Anders ausgedrückt ist die Abschnittsbreite DZ als die Amplitude der unter Verwendung der Bedingungen des stabilen Zustands geglätteten Wechselstrom-Signalkomponenten oder größer eingestellt. Amplitude bei dieser Ausführungsform bedeutet das Verschiebungsvolumen bzw. dem Verschiebungsbetrag ausgehend von dem Mittelwert.
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Dabei zeigt der geglättete Leistungswert durch die Übergangszustandsbedingungen, wie in 6 gezeigt, einen Wert bei den Bedingungen des Verwendens des Glättungsvorgangs unter Verwendung der Übergangszustandsbedingungen mit dem gleichen gemessenen Stromwert, wie vorstehend als Steuerobjekt erwähnt, und des nicht Ausführens der Leistungssteuerung, auch wenn der geglättete Leistungswert außerhalb der Totzone liegt. Diese Art der Bedingung wird bei dieser Ausführungsform nicht verwendet.
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Wie in 6 gezeigt ist, verlässt der geglättete Leistungswert durch die Übergangszustandsbedingungen in einem Abschnitt der Zeitzone die Totzone. Darüber hinaus verlässt die Schwingung des Wechselstromsignals selbst für einen Abschnitt des in 6 gezeigten Zeitbandes die Totzone. Anders ausgedrückt, mit der Abschnittsbreite DZ ist die Amplitude des Wechselstromsignals selbst derart eingestellt, dass diese noch kleiner ist als die unter Verwendung der Übergangszustandsbedingungen geglättete Wechselstrom-Signalkomponente.
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Der Grund dafür, warum die Abschnittsbreite DZ wie vorstehend angegeben eingestellt ist, liegt darin, um sowohl das Stoppen der Leistungssteuerung in dem stabilen Zustand so weit wie möglich, als auch ein gutes Ansprechverhalten der Steuerung in dem Übergangszustand so weit wie möglich zu schaffen. Falls die Abschnittsbreite DZ zu groß ist, ist die Erfassung einer Schwankung der erzeugten elektrischen Leistung verzögert und das Volumen bzw. das Ausmaß des Überschießens und Unterschreitens ist erhöht, so dass sich das Steuerungs-Ansprechverhalten verschlechtert. Daher ist es vorzuziehen, die Abschnittsbreite DZ möglichst eng einzustellen, um das Steuerungs-Ansprechverhalten zu verbessern. Daher werden beide vorstehend genannten Punkte erfüllt, falls die Abschnittsbreite DZ derart eingestellt ist, dass diese in dem Bereich, für welchen das für die Totzone eingestellte Ziel erreicht wird, möglichst eng ist. Ziel der vorstehend beschriebenen Totzone ist es zu vermeiden, dass die Steuerung des geglätteten Leistungswerts aufgrund des Effekts des Wechselstromsignals instabil wird, ungeachtet des stabilen erzeugten elektrischen Leistungswerts. Wie in 6 gezeigt ist, stellt die Abschnittsbreite DZ bei dieser Ausführungsform die Stabilität des geglätteten Leistungswerts in dem stabilen Zustand in den Vordergrund, und diese ist als eine Breite mit einer geringfügigen Spanne mit Bezug auf die Amplitude des geglätteten Leistungswerts eingestellt.
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Darüber hinaus kann die Abschnittsbreite DZ durch Verändern der Bedingungen des Glättungsvorgangs in dem Übergangszustand und dem stabilen Zustand eng eingestellt sein und beide vorstehend genannten Punkte werden mit guten Bedingungen realisiert.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Ausführungsformen, Arbeitsbeispiele oder Modifikationsbeispiele dieser Spezifikation beschränkt und kann innerhalb eines Schutzumfangs, welcher von dessen Grundgedanken nicht abweicht, mit verschiedenen Konstitutionen realisiert sein. Beispielsweise können die technischen Merkmale bei den Ausführungsformen, Arbeitsbeispielen und Modifikationsbeispielen entsprechend den technischen Merkmalen bei jedem in dem Abschnitt der Kurzfassung der Erfindung genannten Modus geeignet ersetzt oder kombiniert sein, um einen Teil oder die Gesamtheit der vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen oder einen Teil oder die Gesamtheit der vorstehend beschriebenen Effekte zu erreichen. Falls dieses technische Merkmal in dieser Spezifikation nicht als notwendig beschrieben ist, kann dieses nach Bedarf gestrichen werden. Es folgen Beispiele.
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Zum Einstellen der Totzone können verschiedene Modifikationen in Betracht gezogen werden. Beispielsweise können die Abschnittsbreite auf der oberen Seite und die Abschnittsbreite auf der unteren Seite unterschiedlichen Breiten entsprechen. Beispielsweise kann, wenn der Ziel-Leistungswert nahe dem oberen Grenz-Leistungswert eingestellt ist, basierend auf dem technischen Konzept, um in der Lage zu sein, dem gemessenen Leistungswert zu ermöglichen, sich eher hin zu der unteren Seite als hin zu der oberen Seite zu neigen, die Abschnittsbreite auf der unteren Seite größer eingestellt sein als die Abschnittsbreite auf der oberen Seite.
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Die Totzone kann unter Verwendung einer größeren Breite als bei dieser Ausführungsform eingestellt sein, so dass der geglättete Leistungswert die Totzone nicht verlässt, auch wenn der geglättete Leistungswert innerhalb des Bereichs des stabilen Zustands schwankt.
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Die Abschnittsbreite der Totzone kann gleich der Amplitude des geglätteten Leistungswerts in dem stabilen Zustand sein oder diese kann kleiner als diese Amplitude sein. Beispielsweise ist, auch wenn die Abschnittsbreite der Totzone kleiner als die vorstehend angegebene Amplitude ist, falls die Differenz geringfügig ist, die Zeit, für welche der geglättete Leistungswert die Totzone verlässt, geringfügig, so dass angenommen wird, dass die Steuerung stabil sein wird.
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Für den Glättungsvorgang können verschiedene Verfahren in Betracht gezogen werden. Beispielsweise kann dieser einer einfach gewichteten Bewegungsmittelung oder Index-Bewegungsmittelung entsprechen. Alternativ kann es einfach sein, den Durchschnittswert der Messwerte mit Zeitreihensegmenten aufzufinden.
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Bei dem Glättungsvorgang kann eine analoge Schaltung verwendet werden. Beispielsweise kann dies durch Erfassen des Stromwerts als ein analoges Signal und Durchleiten dieses durch eine integrierte Schaltung realisiert sein. Der Glättungsgrad kann mit einer Zeitkonstanten der integrierten Schaltung angepasst sein.
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Für die Glättungsvorgangsbedingungen können die gleichen Punkte für den stabilen Zustand und den Übergangszustand verwendet werden. In diesem Fall ist die Ermittlung dahingehend, ob der stabile Zustand oder der Übergangszustand vorliegt, nicht notwendig, so dass die Verarbeitungslast reduziert ist.
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Der Glättungsvorgang kann nicht ausgeführt werden. In diesem Fall ist die Verarbeitungslast weiter reduziert. Auch wenn der Glättungsvorgang nicht ausgeführt wird, kann, falls die Abschnittsbreite der Totzone derart eingestellt ist, dass diese mit der Amplitude durch das Wechselstromsignal übereinstimmt, die Steuerung in der stabilen Zone stabilisiert werden.
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Der obere Grenzwert der Totzone kann außerdem derart eingestellt sein, dass dieser den oberen Grenzwert des Ziel-Leistungswerts überschreitet. In diesem Fall kann verhindert werden, dass der geglättete Leistungswert den Ziel-Leistungswert überschreitet.
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Das Verfahren zum Ermitteln, ob der stabile Zustand oder der Übergangszustand vorliegt, kann verändert werden. Beispielsweise kann dies basierend auf zumindest einem Wert aus dem Stromwert, dem Spannungswert und dem Leistungswert ermittelt werden.
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Die der Steuerung unterzogene physikalische Größe kann sich von der Leistung unterscheiden und diese kann beispielsweise einer Spannung oder einen Strom entsprechen. Mit anderen Worten, der geglättete Spannungswert oder der geglättete Stromwert können derart gesteuert werden, dass diese nahe dem Zielwert liegen.
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Die betreffende Brennstoffzelle muss nicht für ein Automobil sein, sondern diese kann einem bei einer anderen Transportapparatur (Fahrzeug mit zwei Rädern, Schienenfahrzeug oder dergleichen) montierten Element oder einem stationären Element entsprechen.
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Zumindest ein Abschnitt der Funktionen und Vorgänge, welche bei den vorstehend genannten Ausführungsformen unter Verwendung von Software realisiert sind, können ebenso unter Verwendung von Hardware realisiert sein. Außerdem kann zumindest ein Abschnitt der unter Verwendung von Hardware realisierten Funktionen und Vorgänge unter Verwendung von Software realisiert sein. Als Hardware können beispielsweise verschiedene Typen von Schaltkreisen (Schaltungen), wie integrierte Schaltkreise, diskrete Schaltkreise oder Schaltkreismodule, welche diese Schaltkreise kombinieren, verwendet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2014-230379 [0001]
- JP 2007-053013 [0003]
