DE102016212684B4

DE102016212684B4 - Verfahren und System zum Steuern eines Starts einer Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102016212684B4
Application number: DE102016212684.9A
Authority: DE
Inventors: Dae Jong Kim
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2015-07-29
Filing date: 2016-07-12
Publication date: 2023-10-05
Anticipated expiration: 2036-07-13
Also published as: CN106410241B; DE102016212684A1; KR20170014161A; US10608266B2; KR101724883B1; US20170033378A1; CN106410241A

Abstract

Verfahren zum Steuern eines Starts einer Brennstoffzelle, aufweisend:
Vergleichen, durch eine Steuerung (100), einer Innentemperatur eines Stapels, die durch eine Temperaturerfassungseinheit (200) abgeleitet wird, und eines vorgegebenen Referenztemperaturwertes, und Bestimmen, ob die Innentemperatur des Stapels kleiner als der Referenztemperaturwert ist, wenn ein EIN-Signal des Starts der Brennstoffzelle empfangen wird;
Ableiten, durch die Steuerung (100), eines erforderlichen Heizwertes für eine Temperaturerhöhung unter Verwendung der Innentemperatur des Stapels, wenn die abgeleitete Innentemperatur des Stapels kleiner als der Referenztemperaturwert ist; wobei in der Ableitung des erforderlichen Heizwertes die Innentemperatur des Stapels abgeleitet wird durch Kompensieren einer Temperatur eines Kühlmittels des Stapels der Brennstoffzelle, die unter Verwendung der Temperaturerfassungseinheit (200) auf der Grundlage einer Start-Aus-Zustand-Haltezeit der Brennstoffzelle berechnet wird, und
Erhöhen, durch die Steuerung (100), einer Temperatur des Stapels der Brennstoffzelle, bis ein kumulativer Heizwert, der durch eine Temperaturerhöhung des Stapels der Brennstoffzelle verursacht wird, gleich dem abgeleiteten erforderlichen Heizwert ist.

Description

HINTERGRUND
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und System zum Steuern eines Starts einer Brennstoffzelle, um einen Kaltstartantriebsmodus unter Verwendung eines Heizwertes der Brennstoffzelle zu steuern/regeln, obwohl eine Kühlmittelpumpe nicht angetrieben wird.
Beschreibung des Standes der Technik
Die US 2007/0059570 A1 und die DE 11 2010 005 600 T5 beschreiben jeweils ein Brennstoffzellensystem.
Im Allgemeinen erzeugt eine Brennstoffzelle Elektrizität unter Verwendung einer elektrochemischen Reaktion von Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff in der Luft und führt Wärme und Wasser als Nebenprodukte der Reaktion ab. Ferner kann in einem Stapel einer Brennstoffzelle verbleibendes Wasser in einem Brennstoffzellenfahrzeug mit der Brennstoffzelle einfrieren, wie beispielsweise eine Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle (Proton Exchange Membrane Fuel Cell - PEMFC), die verwendet wird als eine Energiequelle in einer atmosphärischen Bedingung (Wetterbedingung) bei Temperaturen unter null, wenn das Fahrzeug über einen langen Zeitraum im Winter oder kälterem Wetter geparkt wird, wodurch die Kaltstartleistung in hohem Maße reduziert wird.
Demzufolge gibt es Schwierigkeiten in einem nächsten Kaltstart aufgrund des Gefrierens von Wasser, wenn das in dem Stapel verbleibende Wasser nicht entfernt oder abgeführt wird, wenn ein Fahrzeug bei niedrigen Lufttemperaturen abgestellt/ausgeschaltet wird. Mit anderen Worten, wenn die Brennstoffzelle gestartet wird, während das in dem Stapel gebildete Eis nicht geschmolzen wird, behindert das Eis Wasserstoff- und Luftzufuhrwege, so dass ein schlechterer Start verursacht wird und ein normaler Betrieb der Brennstoffzelle gestört wird.
Demzufolge sind verschiedene Verfahren zum Steuern eines Kaltstarts der Brennstoffzelle vorgeschlagen worden, um ein Überlaufphänomen zu verhindern. Zum Beispiel umfasst ein Verfahren des Standes der Technik ein Zuführen von Strom lediglich in einem Umfang, um zu verhindern, dass in einer Brennstoffzelle gebildetes Wasser einfriert, und somit die Zuverlässigkeit beim Start der Brennstoffzelle während des Kaltstarts sicherzustellen. Jedoch wird im Stand der Technik ein Lufttemperatursensor, der an einem Luftauslass eines Stapels angeordnet ist, verwendet, um eine Innentemperatur des Stapels zu detektieren/erfassen. Die Innentemperatur des Stapels kann unter Verwendung des Lufttemperatursensors an dem Luftauslass indirekt wiedergegeben werden, wenn ein Luftdurchsatz hoch ist und somit eine Wärmekapazität von Luft groß ist, aber wenn der Luftdurchsatz niedrig ist oder stark geändert wird, kann es schwierig sein, die Innentemperatur des Stapels indirekt wiederzugeben, und Luft kann in einer gewöhnlichen Verteilerstruktur schnell abgekühlt werden, nachdem die Luft von dem Stapel abgeführt wird, und demzufolge wird eine Erhöhung der Innentemperatur nicht wiedergegeben.
Das Vorstehende ist lediglich dazu vorgesehen, um das Verständnis des Hintergrundes der vorliegenden Erfindung zu fördern, und soll nicht heißen, dass die vorliegende Erfindung innerhalb des Bereichs des Standes der Technik liegt, der einem Durchschnittsfachmann bereits bekannt ist.
ZUSAMMENFASSUNG
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren und ein verbessertes System zum Starten einer Brennstoffzelle zur Verfügung zu stellen.
Demzufolge stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren und System zum Steuern eines Starts einer Brennstoffzelle bereit, um einen Kaltstartantriebsmodus eines Brennstoffzellenfahrzeugs unter Verwendung eines kumulativen Heizwertes der Brennstoffzelle in geeigneter Weise zu steuern/regeln, obwohl ein Temperatursensor eines Stapels der Brennstoffzelle nicht verwendet wird.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, und ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 10 zur Verfügung.
Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren zum Steuern eines Starts einer Brennstoffzelle: Vergleichen, durch eine Steuerung, einer Innentemperatur eines Stapels, die durch eine Temperaturerfassungseinheit abgeleitet wird, und eines vorgegebenen Referenztemperaturwertes, und Bestimmen, ob die Innentemperatur des Stapels kleiner als der Referenztemperaturwert ist, wenn ein EIN-Signal des Starts der Brennstoffzelle empfangen wird; Ableiten, durch die Steuerung, eines erforderlichen Heizwertes unter Verwendung der Innentemperatur des Stapels, die durch die Temperaturerfassungseinheit abgeleitet wird, wenn die abgeleitete Innentemperatur des Stapels kleiner als der Referenztemperaturwert ist; und Erhöhen einer Temperatur des Stapels der Brennstoffzelle in der Steuerung, bis ein kumulativer Heizwert, der durch eine Temperaturerhöhung des Stapels der Brennstoffzelle verursacht wird, gleich dem erforderlichen Heizwert ist, der in dem Vorgang zum Ableiten des erforderlichen Heizwertes abgeleitet wird. In der Ableitung des erforderlichen Heizwertes wird die Innentemperatur des Stapels abgeleitet durch Kompensieren/Ausgleichen einer Temperatur eines Kühlmittels des Stapels der Brennstoffzelle, die unter Verwendung der Temperaturerfassungseinheit in der Steuerung auf der Grundlage einer Start-Aus-Zustand-Haltezeit der Brennstoffzelle berechnet wird.
Das Verfahren kann ferner umfassen: nach der Ableitung des erforderlichen Heizwertes, Ableiten eines momentanen Heizwertes durch Multiplizieren von Spannungs- und Stromwerten des Stapels der Brennstoffzelle in der Steuerung; und Ableiten, durch die Steuerung, eines kumulativen Heizwertes durch Integrieren, auf der Grundlage einer Änderung der Zeit, des abgeleiteten momentanen Heizwertes von einem Zeitpunkt, bei dem begonnen wird, die Temperatur in dem Temperaturerhöhungsprozess zu erhöhen. Zusätzlich kann das Verfahren umfassen ein Berechnen des kumulativen Heizwertes unter Verwendung der folgenden Gleichung in der Steuerung nach der Ableitung des erforderlichen Heizwertes: $Kumulativer Heizwert = \int_{T 1}^{T 2} (V 2 - V 1) \times I d t$
wobei T1: Temperaturerhöhungsstartzeit, T2: aktuelle Zeit, V2: theoretische Spannung, V1: praktische Spannung, I: Stapelstrom.
Das Verfahren kann ferner umfassen: nach dem Temperaturerhöhungsprozess, Begrenzen/Beschränken einer Ausgangsleistung des Fahrzeugs auf einen vorgegebenen Ausgangsleistungsgrenzwert in der Steuerung; Ändern, durch die Steuerung, des Ausgangsleistungsgrenzwertes, wenn der kumulative Heizwert des Stapels der Brennstoffzelle erhöht wird; und Antreiben einer Kühlmittelpumpe des Stapels der Brennstoffzelle in der Steuerung, wenn der erhöhte kumulative Heizwert des Stapels der Brennstoffzelle einem vorgegebenen kumulativen Referenzheizwert entspricht oder größer ist.
In der Ausgangsleistungsbegrenzungsänderung kann der Ausgangsleistungsgrenzwert allmählich/schrittweise erhöht werden, wenn der kumulative Heizwert des Stapels der Brennstoffzelle erhöht wird. Darüber hinaus kann die Steuerung eingerichtet sein, um den Ausgangsleistungsgrenzwert zu ändern, wenn der erhöhte kumulative Heizwert des Stapels der Brennstoffzelle größer als ein vorgegebener minimaler kumulativer Heizwert ist. Der minimale kumulative Heizwert kann kleiner als ein kumulativer Referenzheizwert sein. In der Ausgangsleistungsbegrenzungsänderung kann der Ausgangsleistungsgrenzwert geändert werden, um allmählich/schrittweise erhöht zu werden, wenn der kumulative Heizwert des Stapels der Brennstoffzelle erhöht wird. Das Verfahren kann ferner umfassen ein Abschließen/Beenden eines Begrenzens einer Fahrzeugausgangsleistung auf der Grundlage des kumulativen Heizwertes in der Steuerung nach einem Kühlmittelpumpenantriebsvorgang.
Erfindungsgemäß umfasst ein System zum Steuern eines Starts einer Brennstoffzelle: eine Temperaturerfassungseinheit, die eingerichtet ist, um eine Innentemperatur eines Stapels der Brennstoffzelle zu erfassen oder abzuleiten; eine Temperaturvergleichseinheit, die eingerichtet ist, um die abgeleitete Innentemperatur des Stapels der Brennstoffzelle mit einem vorgegebenen Referenztemperaturwert zu vergleichen; und eine Steuerung, die eingerichtet ist, um einen erforderlichen Heizwert unter Verwendung der Innentemperatur des Stapels abzuleiten, wenn die Innentemperatur des Stapels der Brennstoffzelle kleiner als der Referenztemperaturwert ist, und eine Temperatur des Stapels der Brennstoffzelle zu erhöhen, bis ein durch eine Temperaturerhöhung verursachter kumulativer Heizwert gleich dem abgeleiteten erforderlichen Heizwert ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen und weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende ausführliche Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen klarer verständlich. In den Figuren zeigen:

1 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Steuern eines Starts einer Brennstoffzelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
2 ein Blockdiagramm eines Systems zum Steuern eines Starts einer Brennstoffzelle gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es versteht sich, dass der Ausdruck „Fahrzeug“ oder „Fahrzeug-“ oder andere gleichlautende Ausdrücke wie sie hierin verwendet werden, Kraftfahrzeuge im Allgemeinen wie z.B. Personenkraftwagen einschließlich Sports Utility Vehicles (SUV), Busse, Lastwägen, verschiedene Nutzungsfahrzeuge, Wasserfahrzeuge, einschließlich einer Vielfalt von Booten und Schiffen, Luftfahrzeugen und dergleichen einschließen, und Hybridfahrzeuge, Elektrofahrzeuge, Plug-In-Hybridelektrofahrzeuge, wasserstoffgetriebene Fahrzeuge und andere Fahrzeuge mit alternativen Kraftstoff umfassen (beispielsweise Kraftstoff, der von anderen Quellen als Erdöl gewonnen wird). Wie hierin Bezug genommen wird, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, das zwei oder mehr Antriebsquellen aufweist, wie zum Beispiel sowohl benzinbetriebene als auch elektrisch angetriebene Fahrzeuge.
Obwohl das Ausführungsbeispiel derart beschrieben wird, dass es eine Mehrzahl von Einheiten verwendet, um den beispielhaften Prozess durchzuführen, versteht es sich, dass die beispielhaften Prozesse ebenfalls durch ein oder eine Mehrzahl von Modulen durchgeführt werden können. Darüber hinaus versteht es sich, dass sich der Ausdruck Steuerung/Steuereinheit auf eine Hardware-Vorrichtung bezieht, die einen Speicher und einen Prozessor umfasst. Der Speicher ist eingerichtet, um die Module zu speichern, und der Prozessor ist insbesondere eingerichtet, um die besagten Module auszuführen, um einen oder mehrere Prozesse durchzuführen, die weiter unten beschrieben werden.
Darüber hinaus kann die Steuerlogik der vorliegenden Erfindung als nichtflüchtige computerlesbare Medien auf einem computerlesbaren Medium ausgeführt werden, das ablauffähige Programmbefehle umfasst, die durch einen Prozessor, eine Steuerung/Steuereinheit oder dergleichen ausgeführt werden. Beispiele von computerlesbaren Speichermedien umfassen in nicht einschränkender
Weise ROM, RAM, Compact-Disc (CD)-ROMs, Magnetbänder, Floppydisks, Flash-Laufwerke, Smart Cards und optische Datenspeichervorrichtungen. Das computerlesbare Aufzeichnungsmedium kann ebenfalls in netzgekoppelten Computersystemen dezentral angeordnet sein, so dass das computerlesbare Medium in einer verteilten Art und Weise gespeichert und ausgeführt wird, z.B. durch einen Telematik-Server oder ein Controller Area Network (CAN).
Die hierin verwendete Terminologie ist zum Zwecke der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen vorgesehen und ist nicht dazu bestimmt, die Erfindung einzuschränken. Wie hierin verwendet, sind die Singularformen „ein“, „eine/einer“ und „der/die/das“ dazu vorgesehen, dass sie ebenso die Pluralformen umfassen, wenn aus dem Zusammenhang nicht eindeutig etwas anderes hervorgeht. Es versteht sich ferner, dass die Ausdrücke „aufweisen“ und/oder „aufweisend“, wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, die Anwesenheit der angegebenen Merkmale, Zahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Komponenten beschreiben, aber nicht das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einen oder mehreren Merkmalen, Zahlen, Schritten, Operationen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließen. Wie hierin verwendet, umfasst der Ausdruck „und/oder“ jede und sämtliche Kombinationen von einem oder mehreren der zugeordneten aufgeführten Elemente.
Sofern nicht ausdrücklich angegeben oder aus dem Kontext ersichtlich, wird der Begriff „ungefähr“, wie er hierin verwendet wird, derart verstanden, dass er innerhalb eines Bereichs mit normgemäßer Toleranz im Stand der Technik liegt, zum Beispiel innerhalb 2 Standardabweichungen der Mittelwerte. „Ungefähr“ kann derart verstanden werden, dass es innerhalb 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1%, 0,5%, 0,1%, 0,05% oder 0,01% des angegebenen Werts liegt. Soweit es sich nicht anderweitig aus dem Kontext ergibt, werden alle hierin bereitgestellten numerischen Werte durch den Begriff „ungefähr“ verändert.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Das Verfahren kann, wie hierin nachfolgend beschrieben, durch eine Steuerung 100 mit einem Prozessor und einem Speicher ausgeführt werden.
Wie in 1 gezeigt, kann ein Verfahren zum Steuern eines Starts einer Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen ein Vergleichen einer Innentemperatur eines Stapels, die durch eine Temperaturerfassungseinheit (z.B. ein Sensor) abgeleitet wird, und eines vorgegebenen Referenztemperaturwertes, um zu erfassen, ob die Innentemperatur des Stapels kleiner als der Referenztemperaturwert ist, wenn ein EIN-Signal des Starts der Brennstoffzelle in einer Steuerung 100 empfangen wird (S100), Ableiten eines für eine Temperaturerhöhung erforderlichen Heizwertes (nachstehend als ein „erforderlicher Heizwert“ bezeichnet) unter Verwendung der Innentemperatur des Stapels, der durch die Temperaturerfassungseinheit in der Steuerung 100 abgeleitet wird, wenn die abgeleitete Innentemperatur des Stapels kleiner als der Referenztemperaturwert ist (S200), und Erhöhen einer Temperatur des Stapels der Brennstoffzelle, bis ein durch eine Temperaturerhöhung des Stapels der Brennstoffzelle verursachter kumulativer Heizwert der gleiche ist wie der erforderliche Heizwert, der bei der Ableitung des erforderlichen Heizwertes abgeleitet wird (S300).
Der Referenztemperaturwert als ein Vergleichskriterium entspricht einem Referenzwert zum Bestimmen, ob eine Startbedingung der Brennstoffzelle eine Kaltstartbedingung ist, in der Steuerung 100 in dem Temperaturvergleich S100. Demzufolge kann eine Temperatur, bei der Wasser in der Brennstoffzelle gefriert, der Referenztemperaturwert sein. Im Allgemeinen kann, da Wasser bei 0°C gefriert, der Referenztemperaturwert auf 0°C eingestellt/festgesetzt werden. Jedoch kann der Referenztemperaturwert auf der Grundlage eines Zustandes und einer Beschaffenheit der Brennstoffzelle eingestellt werden. Der erforderliche Heizwert kann abgeleitet werden unter Verwendung der Innentemperatur des Stapels, die abgeleitet wird durch die Temperaturerfassungseinheit bei der Ableitung des erforderlichen Heizwertes S200, die nach dem Temperaturvergleich S100 durchgeführt wird.
Ein Temperaturwert, der durch einen in einem Kühlmittel des Stapels angeordneten Temperatursensor gemessen wird, kann direkt als die Innentemperatur des Stapels verwendet werden. Allerdings kann die Temperatur des Kühlmittels des Stapels die Innentemperatur des Stapels in Echtzeit wiedergeben/reflektieren, während die Brennstoffzelle gestartet wird oder sofort nach einem Start-Aus-Zustand der Brennstoffzelle, und demzufolge kann ein signifikanter Fehler verhindert werden, obwohl die Temperatur des Kühlmittels des Stapels als die Innentemperatur des Stapels geschätzt wird. Wenn sich die Brennstoffzelle in einem Start-Aus-Zustand befindet, da der Kühlmittelfluss gestoppt ist, kann die Innentemperatur des Stapels nicht in Echtzeit wiedergegeben werden. Demzufolge kann eine Temperaturdifferenz aufgrund einer Differenz in der spezifischen Wärme zwischen dem Inneren des Stapels und dem Kühlmittel des Stapels im Verlauf der Zeit auftreten. Daher schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Ausgleichen der Differenz vor.
Die vorliegende Erfindung schlägt ein Verfahren zum Kompensieren der Temperatur des Kühlmittels des Stapels der Brennstoffzelle, die unter Verwendung der Temperaturerfassungseinheit berechnet wird, auf der Grundlage einer Start-Aus-Zustand-Haltezeit der Brennstoffzelle und Ableiten der Innentemperatur des Stapels vor. Es können verschiedene Verfahren als das Vergleichsverfahren vorgesehen werden. Es kann ein Verfahren zum Durchführen der Kompensation unter Verwendung eines spezifischen Heizwertes des Kühlmittels und eines spezifischen Heizwertes von Innenluft des Stapels im Verlauf der Zeit vorgesehen werden und die Innentemperatur des Stapels kann unter Verwendung von Kennfelddaten mit der Temperatur des Kühlmittels des Stapels als einen Eingangswert/Eingabewert und der Innentemperatur des Stapels als einen Ausgangswert/Ausgabewert abgeleitet werden.
Die Innentemperatur des Stapels kann unter Verwendung der vorgenannten Beschreibung und Verfahren abgeleitet werden und der erforderliche Heizwert kann dann unter Verwendung der abgeleiteten Innentemperatur des Stapels abgeleitet werden. Der erforderliche Heizwert gibt einen Heizwert an, der zum Erhöhen der Temperatur des Stapels der Brennstoffzelle erforderlich ist, was durchgeführt wird, um die Effizienz und die Haltbarkeit der Brennstoffzelle bei niedrigen Temperaturen zu verbessern. Zusätzlich kann der erforderliche Heizwert unter Verwendung von verschiedenen Verfahren abgeleitet werden. Ein repräsentatives Verfahren kann sein, dass eine Differenz zwischen der abgeleiteten Innentemperatur des Stapels und einer Solltemperatur/Zieltemperatur des Stapels und eine Wärmekapazität der Innenluft des Stapels multipliziert werden. Demzufolge kann der erforderliche Heizwert erhöht werden, wenn die anfängliche Innentemperatur des Stapels reduziert wird und die Luftmenge in dem Stapel erhöht wird.
Die Temperatur des Stapels der Brennstoffzelle kann in dem Temperaturerhöhungsprozess S300 erhöht werden, der nach der Ableitung des erforderlichen Heizwertes S200 durchgeführt wird, bis der kumulative Heizwert, der durch eine Temperaturerhöhung des Stapels der Brennstoffzelle verursacht wird, ungefähr der gleiche wie der abgeleitete erforderliche Heizwert ist. Der erforderliche Heizwert kann unter Verwendung des vorgenannten Verfahrens während des gegenwärtigen Schrittes abgeleitet werden. Der kumulative Heizwert gibt einen kumulativen Wert der Heizwerte an, die erhalten werden, wenn die Temperatur des Stapels der Brennstoffzelle erhöht wird. Ähnlich dem erforderlichen Heizwert kann der kumulative Heizwert unter Verwendung von verschiedenen Verfahren abgeleitet werden und die vorliegende Erfindung schlägt ein Verfahren zum Ableiten des kumulativen Heizwertes als ein Beispiel der vorgenannten Verfahren vor.
Das Verfahren zum Ableiten des kumulativen Heizwertes gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Ableiten des kumulativen Heizwertes, umfassend eine momentane Heizwertableitung zum Multiplizieren von Strom- und Spannungswerten des Stapels der Brennstoffzelle und Ableiten eines momentanen Heizwertes, und eine Ableitung des kumulativen Heizwertes zum Integrieren des abgeleiteten momentanen Heizwertes von einem Zeitpunkt, bei dem die Temperatur zu steigen beginnt, basierend auf der Zeit, und Ableiten des kumulativen Heizwertes.
Die Spannung und der Strom des Stapels können multipliziert werden, um den momentanen Heizwert abzuleiten. Zusätzlich gibt die Spannung des Stapels des vorliegenden Schrittes eine Differenz zwischen der Nennspannung und einem praktischen Spannungswert des Temperaturerhöhungsprozesses an und eine Einheit ist [V]. Der Strom des Stapels gibt einen Wert des durch den Stapel fließenden Stromes als ursprüngliche Bedeutung des Ausdrucks an und eine Einheit ist [A]. Demzufolge kann der momentane Heizwert als eine momentane Ausgangsleistung des Stapels der Brennstoffzelle betrachtet werden, weil der momentane Heizwert ein Produkt der Spannung und des Stromes ist.
Der momentane Heizwert kann auf der Grundlage der Änderung der Zeit integriert werden, während die Temperaturerhöhung andauert, um den kumulativen Heizwert unter Verwendung des momentanen Heizwertes abzuleiten. Eine Gleichung, die zum Ableiten des kumulativen Heizwertes verwendet wird, wird nachfolgend einfach dargestellt. $Kumulativer Heizwert = \int_{T 1}^{T 2} (V 2 - V 1) \times I d t$
wobei T1: Temperaturerhöhungsstartzeit, T2: aktuelle Zeit, V2: theoretische Spannung, v1: praktische Spannung, I: Stapelstrom
Insbesondere ist T1 die Temperaturerhöhungsstartzeit und entspricht einem Zeitpunkt, bei dem die Brennstoffzelle gestartet wird. Der kumulative Heizwert gibt den Gesamtwert der Heizwerte von dem Zeitpunkt an, bei dem die Temperatur des Stapels der Brennstoffzelle zu steigen beginnt, und somit kann ein Anfangswert einer zu integrierenden Variable die Temperaturerhöhungsstartzeit sein. T2 gibt die aktuelle Zeit an und einen Zeitpunkt, bei dem der kumulative Heizwert gemessen wird. Demzufolge kann der kumulative Heizwert, nachdem die Temperatur der Brennstoffzelle zu steigen beginnt, unter Verwendung der oben gezeigten vorliegenden Gleichung berechnet werden.
Wie in 1 gezeigt, kann nach dem Temperaturerhöhungsprozess S300 das Verfahren umfassen ein Begrenzen, durch die Steuerung des Fahrzeugs, einer Ausgangsleistung des Fahrzeugs auf einen vorgegebenen Ausgangsleistungsgrenzwert (S400), Ändern, durch die Steuerung des Fahrzeugs, des Ausgangsleistungsgrenzwerts, wenn der kumulative Heizwert des Stapels der Brennstoffzelle erhöht wird (S430), und Antreiben oder Betreiben einer Kühlmittelpumpe des Stapels der Brennstoffzelle, wenn der erhöhte kumulative Heizwert des Stapels der Brennstoffzelle einem vorgegebenen kumulativen Referenzheizwert entspricht oder größer ist (S500).
Obwohl die Temperatur während des Temperaturerhöhungsprozesses S300 durch den abgeleiteten erforderlichen Heizwert erhöht wird, wird die Innentemperatur des Stapels nicht als erhöht angesehen und die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle wird nicht als eine Ausgangsleistung in einem normalen Zustand angesehen. Daher muss die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle in geeigneter Weise begrenzt werden, um zu verhindern, dass die Brennstoffzelle verschlechtert wird und ein Fahrer ein ungewohntes Fahrverhalten wahrnimmt.
Demzufolge umfasst die vorliegende Erfindung den Ausgangsleistungsbegrenzungsprozess S400 und den Ausgangsleistungsänderungsprozess S430. Der Ausgangsleistungsbegrenzungsprozess kann umfassen ein Begrenzen der Ausgangsleistung des Fahrzeugs zu einem Zeitpunkt, bei dem der Start bei kalten Bedingungen beendet ist, und der Ausgangsleistungsänderungsprozess S430 kann umfassen ein Ändern der Begrenzung der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle auf der Grundlage einer Änderung der Zeit, da die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle allmählich in Richtung eines Normalzustandsmodus in einem Kaltantriebsmoduszustand basierend auf der Änderung der Zeit verbessert werden kann.
Der Ausgangsleistungsgrenzwert kann von dem Zustand der Brennstoffzelle und des Fahrzeugs während des Ausgangsleistungsbegrenzungsprozesses S400 abhängen. Jedoch ist der Ausgangsleistungsgrenzwert ein Wert, ab wann der kumulative Heizwert der Brennstoffzelle ungefähr der gleiche wie der erforderliche Heizwert ist, und demzufolge kann der Ausgangsleistungsgrenzwert eng mit dem erforderlichen Heizwert verbunden sein. Wenn der erforderliche Heizwert wesentlich ist, kann der Ausgangsleistungsgrenzwert ebenfalls groß sein, wenn eine ausreichende Vorheizzeit vor dem Start der Brennstoffzelle vorgesehen ist. Im Gegensatz dazu, wenn der erforderliche Heizwert eingestellt wird, dass er niedrig ist, und somit die Brennstoffzelle schnell startet, kann der Ausgangsleistungsgrenzwert eingestellt werden, dass er niedrig ist.
Nachdem der Start beendet ist, kann der Stapel der Brennstoffzelle kontinuierlich betrieben werden, um die Temperatur des Stapels der Brennstoffzelle aufgrund der Wärme, die erzeugt wird, während die Brennstoffzelle betrieben wird, kontinuierlich zu erhöhen. Demzufolge kann der Ausgangsleistungsgrenzwert auf der Grundlage einer Änderung der Temperatur geändert werden. Die Ausgangsleistung kann begrenzt werden, auch wenn die hohe Ausgangsleistung ausreichend sein kann, die aufgrund eines Temperaturanstiegs erhalten wird, da der Temperaturanstieg die Effizienz der Brennstoffzelle reduzieren kann. Demzufolge schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Ändern der Begrenzung der Ausgangsleistung unter Verwendung der Ausgangsleistungsänderungsprozesses S430 vor. Das Verfahren zum Begrenzen der Ausgangsleistung in einem Kaltantriebsmoduszustand ist bereits im Stand der Technik umfangreich bekannt, aber in den bekannten Techniken wird die Ausgangsleistung in der Regel unter Verwendung der Temperatur des Kühlmittels des Stapels begrenzt und es besteht kein Präzedens für die Verwendung des kumulativen Heizwertes, wie er durch die vorliegende Erfindung vorgeschlagen wird. Wenn der kumulative Heizwert wie oben beschrieben verwendet wird, kann ein Antreiben der Kühlmittelpumpe der Brennstoffzelle maximal verzögert werden, um die Leistung der Brennstoffzelle bei niedrigen Temperaturen zu verbessern.
Die vorliegende Erfindung schlägt verschiedene Verfahren wie das Verfahren zum Ändern eines Begrenzens der Ausgangsleistung vor. Unter diesen Verfahren umfasst ein Verfahren ein allmähliches Erhöhen des Ausgangsleistungsgrenzwertes, wenn der kumulative Heizwert des Stapels der Brennstoffzelle erhöht wird.
Wie oben beschrieben kann die Betriebszuverlässigkeit des Stapels der Brennstoffzelle allmählich erhöht werden, wenn der kumulative Heizwert erhöht wird, wodurch die hohe Ausgangsleistung erhalten wird. Demzufolge kann der Ausgangsleistungsgrenzwert erhöht werden, wenn der kumulative Heizwert in Hinblick auf die Effizienz der Brennstoffzelle erhöht wird.
Wenn der kumulative Heizwert ungefähr der gleiche wie der erforderliche Heizwert ist, kann der Ausgangsleistungsgrenzwert wie oben beschrieben verschiedene Werte aufweisen. Jedoch wird im Allgemeinen, wenn der kumulative Heizwert exakt der gleiche wie der erforderliche Heizwert ist, der Ausgangsleistungswert des Stapels der Brennstoffzelle nicht auf den Ausgangsleistungsgrenzwert eingestellt, da es eine Diskrepanz zwischen Idealen und Realitäten gibt. Demzufolge kann der Ausgangsleistungsgrenzwert auf einen Wert mit einer vorgegebenen Toleranz (Spielraum) in Bezug auf einen idealen Ausgangsleistungsgrenzwert, der unter Verwendung von verschiedenen Verfahren abgeleitet wird, eingestellt werden. Demzufolge stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Ändern des Ausgangsleistungsgrenzwertes in der Steuerung des Fahrzeugs bereit, wenn der erhöhte kumulative Heizwert des Stapels der Brennstoffzelle größer als ein vorgegebener minimaler kumulativer Heizwert ist, unter der Annahme, dass der Ausgangsleistungsgrenzwert den vorgenannten Toleranzwert aufweist, wie das Verfahren zum Ändern des Ausgangsleistungsgrenzwertes.
Bevor der kumulative Heizwert den minimalen kumulativen Heizwert erreicht, kann der Ausgangsleistungsgrenzwert unter Verwendung einer Toleranz eines anfänglichen Ausgangsleistungsgrenzwertes kompensiert werden (z.B. Ausgangsleistungsgrenzwert, wenn der kumulative Heizwert ungefähr der gleiche wie der erforderliche Heizwert ist), und demzufolge wird der Ausgangsleistungsgrenzwert nicht geändert. Wenn jedoch der kumulative Heizwert größer als der minimale kumulative Heizwert ist, kann die Ausgangsleistung, die größer als der minimale kumulative Heizwert ist, unter Verwendung der Toleranz des anfänglichen Ausgangsleistungsgrenzwertes erhalten werden, und demzufolge kann der Ausgangsleistungsgrenzwert geändert werden. Für das Änderungsverfahren kann der Ausgangsleistungsgrenzwert allmählich erhöht werden, wenn der kumulative Heizwert des Stapels der Brennstoffzelle wie in dem vorgenannten Verfahren erhöht wird.
In der vorliegenden Erfindung kann der minimale kumulative Heizwert kleiner als der kumulative Referenzheizwert als ein Bestimmungskriterium sein, wenn die Kühlmittelpumpe angetrieben wird, und kann von dem Ausgangsleistungsgrenzwert abhängen, der eingestellt wird, wenn der kumulative Heizwert ungefähr der gleiche wie der erforderliche Heizwert ist. Mit anderen Worten kann der minimale kumulative Heizwert im Wesentlichen groß sein, wenn der Ausgangsleistungsgrenzwert mit einem im Wesentlichen großen Toleranzwert eingestellt wird, und der minimale kumulative Heizwert muss sich nicht notwendigerweise signifikant von dem erforderlichen Heizwert unterscheiden, wenn der Toleranzwert minimal eingestellt wird.
Der Ausgangsleistungsgrenzwert kann unter Verwendung der vorgenannten Verfahren geändert werden und die Kühlmittelpumpe kann angetrieben werden, wenn der kumulative Heizwert der kumulative Referenzheizwert ist oder mehr beträgt. Der Stapel der Brennstoffzelle kann überhitzen, wenn der kumulative Heizwert der kumulative Referenzheizwert ist oder mehr beträgt. Insbesondere kann die Kühlmittelpumpe betrieben werden, um das Kühlmittel zu zirkulieren, wodurch verhindert wird, dass der Stapel überhitzt. Demzufolge kann der kumulative Referenzheizwert unter Verwendung der Innentemperatur des Stapels der Brennstoffzelle, bei der die Brennstoffzelle eine normale Leistung aufweist, abgeleitet werden, obwohl das Kühlmittel nicht zirkuliert wird. Wenn die Brennstoffzelle eine zuverlässige Leistung sogar bei hohen Temperaturen aufweist, kann der kumulative Referenzheizwert hoch eingestellt werden.
Nachdem die Kühlmittelpumpe angetrieben wird, kann die Steuerung eingerichtet sein, um das Begrenzen der Ausgangsleistung des Fahrzeugs auf der Grundlage des kumulativen Heizwertes zu beenden. Nachdem die Kühlmittelpumpe angetrieben wird, kann die Ausgangsleistung des Fahrzeugs unter Verwendung eines Begrenzens der Ausgangsleistung auf der Grundlage der Kühlmitteltemperatur des Standes der Technik begrenzt werden, und demzufolge kann eine Begrenzungslogik der Ausgangsleistung des Fahrzeugs gemäß dem kumulativen Heizwert beendet werden. Demzufolge, wenn der kumulative Heizwert ungefähr der gleiche wie der kumulative Referenzheizwert ist, kann der Ausgangsleistungsgrenzwert dem anfänglichen Ausgangsleistungsgrenzwert im Begrenzen der Ausgangsleistung auf der Grundlage der Kühlmitteltemperatur entsprechen.
Ein System zum Steuern eines Starts einer Brennstoffzelle gemäß der vorliegenden Erfindung kann umfassen eine Temperaturerfassungseinheit 200 (z.B. einen Sensor), die eingerichtet ist, um eine Innentemperatur eines Stapels der Brennstoffzelle zu messen oder abzuleiten, eine Temperaturvergleichseinheit 300, die eingerichtet ist, um die abgeleitete Innentemperatur des Stapels der Brennstoffzelle mit einem vorgegebenen Referenztemperaturwert zu vergleichen, und eine Steuerung 100, die eingerichtet ist, um einen erforderlichen Heizwert unter Verwendung der Innentemperatur des Stapels abzuleiten, wenn die Innentemperatur des Stapels der Brennstoffzelle kleiner als der Referenztemperaturwert ist, und eine Temperatur des Stapels der Brennstoffzelle zu erhöhen, bis ein durch eine Temperaturerhöhung verursachter kumulativer Heizwert gleich dem abgeleiteten erforderlichen Heizwert ist. Die verschiedenen Einheiten, wie sie oben beschrieben werden, können durch die Steuerung 100 betrieben werden.
Die Temperatur der Brennstoffzelle kann in geeigneter Weise erhöht werden und die Ausgangsleistung kann durch das vorliegende System selbst dann begrenzt werden, wenn das Kühlmittel der Brennstoffzelle nicht zirkuliert wird. Demzufolge kann ein Einströmen des Kühlmittels bei Temperaturen unter null in den Stapel maximal verzögert werden, wodurch die Antriebsleistung der Brennstoffzelle bei niedrigen Temperaturen verbessert werden kann. Mit anderen Worten kann, ohne den Temperatursensor für das Kühlmittel der Brennstoffzelle zu verwenden, die Steuerung 100 eingerichtet sein, um den Heizwert der Brennstoffzelle abzuleiten und den Heizwert als ein Bestimmungskriterium zum Betreiben der Brennstoffzelle zu verwenden, wodurch die Effizienz und die Haltbarkeit der Brennstoffzelle bei niedrigen Temperaturen verbessert werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung können die folgenden Wirkungen erzielt werden.
Zunächst kann es möglich sein, ein Einströmen eines Kühlmittels bei Temperaturen unter null in einen Stapel maximal zu verzögern und somit die Antriebsleistung eines Brennstoffzellenfahrzeugs bei niedrigen Temperaturen zu verbessern.
Zweitens kann ein Zeitpunkt, bei dem eine Kühlmittelpumpe betrieben wird, unter Verwendung eines kumulativen Heizwertes des Stapels einer Brennstoffzelle eingestellt/angepasst werden, wodurch verhindert werden kann, dass der Stapel überhitzt.
Drittens kann es möglich sein, einen Kaltstartantriebsmodus zu steuern und die Begrenzung der Ausgangsleistung zu mildern, nur unter Verwendung des kumulativen Heizwertes und nicht basierend auf einem Temperatursensor des Stapels.
Obwohl ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung für veranschaulichende Zwecke beschrieben worden ist, wird der Fachmann erkennen, dass verschiedene Änderungen, Hinzufügungen und Ersetzungen möglich sind, ohne von dem Umfang und der Lehre der Erfindung, wie sie in den beigefügten Ansprüchen offenbart ist, abzuweichen.

Claims

Verfahren zum Steuern eines Starts einer Brennstoffzelle, aufweisend: Vergleichen, durch eine Steuerung (100), einer Innentemperatur eines Stapels, die durch eine Temperaturerfassungseinheit (200) abgeleitet wird, und eines vorgegebenen Referenztemperaturwertes, und Bestimmen, ob die Innentemperatur des Stapels kleiner als der Referenztemperaturwert ist, wenn ein EIN-Signal des Starts der Brennstoffzelle empfangen wird; Ableiten, durch die Steuerung (100), eines erforderlichen Heizwertes für eine Temperaturerhöhung unter Verwendung der Innentemperatur des Stapels, wenn die abgeleitete Innentemperatur des Stapels kleiner als der Referenztemperaturwert ist; wobei in der Ableitung des erforderlichen Heizwertes die Innentemperatur des Stapels abgeleitet wird durch Kompensieren einer Temperatur eines Kühlmittels des Stapels der Brennstoffzelle, die unter Verwendung der Temperaturerfassungseinheit (200) auf der Grundlage einer Start-Aus-Zustand-Haltezeit der Brennstoffzelle berechnet wird, und Erhöhen, durch die Steuerung (100), einer Temperatur des Stapels der Brennstoffzelle, bis ein kumulativer Heizwert, der durch eine Temperaturerhöhung des Stapels der Brennstoffzelle verursacht wird, gleich dem abgeleiteten erforderlichen Heizwert ist.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner aufweisend nach dem Vorgang zum Ableiten des erforderlichen Heizwertes: Ableiten, durch die Steuerung (100), eines momentanen Heizwertes durch Multiplizieren von Spannungs- und Stromwerten des Stapels der Brennstoffzelle; und Ableiten, durch die Steuerung (100), eines kumulativen Heizwertes durch Integrieren, auf der Grundlage einer Änderung der Zeit, des abgeleiteten momentanen Heizwertes von einem Zeitpunkt, bei dem begonnen wird, die Temperatur in dem Temperaturerhöhungsprozess zu erhöhen.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner aufweisend: Berechnen, durch die Steuerung (100), des kumulativen Heizwertes unter Verwendung einer folgenden Gleichung nach dem Vorgang zum Ableiten des erforderlichen Heizwertes: $Kumulativer Heizwert = \int_{T 1}^{T 2} (V 2 - V 1) \times I d t$
wobei T1: Temperaturerhöhungsstartzeit, T2: aktuelle Zeit, V2: theoretische Spannung, V1: praktische Spannung, I: Stapelstrom.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner aufweisend nach dem Temperaturerhöhungsvorgang: Begrenzen, durch die Steuerung (100), einer Ausgangsleistung des Fahrzeugs auf einen vorgegebenen Ausgangsleistungsgrenzwert; Ändern, durch die Steuerung (100), des Ausgangsleistungsgrenzwertes, wenn der kumulative Heizwert des Stapels der Brennstoffzelle erhöht wird; und Antreiben, durch die Steuerung (100), einer Kühlmittelpumpe des Stapels der Brennstoffzelle in der Steuerung (100), wenn der erhöhte kumulative Heizwert des Stapels der Brennstoffzelle einem vorgegebenen kumulativen Referenzheizwert entspricht oder größer ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Ausgangsleistungsgrenzwert allmählich erhöht wird, wenn der kumulative Heizwert des Stapels der Brennstoffzelle erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 4, ferner aufweisend ein Ändern, durch die Steuerung (100), des Ausgangsleistungsgrenzwerts, wenn der erhöhte kumulative Heizwert des Stapels der Brennstoffzelle größer als ein vorgegebener minimaler kumulativer Heizwert ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der minimale kumulative Heizwert kleiner als ein kumulativer Referenzheizwert ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Ausgangsleistungsgrenzwert geändert wird, um allmählich erhöht zu werden, wenn der kumulative Heizwert des Stapels der Brennstoffzelle erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 2, ferner aufweisend: Abschließen, durch die Steuerung (100), eines Begrenzens einer Ausgangsleistung des Fahrzeugs gemäß dem kumulativen Heizwert nach einem Kühlmittelpumpenantriebsvorgang.
System zum Steuern eines Starts einer Brennstoffzelle, aufweisend: eine Temperaturerfassungseinheit (200), die eingerichtet ist, um eine Innentemperatur eines Stapels der Brennstoffzelle abzuleiten; wobei die Innentemperatur des Stapels abgeleitet wird durch Kompensieren einer Temperatur eines Kühlmittels des Stapels der Brennstoffzelle, die unter Verwendung der Temperaturerfassungseinheit (200) auf der Grundlage einer Start-Aus-Zustand-Haltezeit der Brennstoffzelle berechnet wird; eine Temperaturvergleichseinheit (300), die eingerichtet ist, um die abgeleitete Innentemperatur des Stapels der Brennstoffzelle mit einem vorgegebenen Referenztemperaturwert zu vergleichen; und eine Steuerung (100), die eingerichtet ist, um einen erforderlichen Heizwert unter Verwendung der Innentemperatur des Stapels abzuleiten, wenn die Innentemperatur des Stapels der Brennstoffzelle kleiner als der Referenztemperaturwert ist, und eine Temperatur des Stapels der Brennstoffzelle zu erhöhen, bis ein durch eine Temperaturerhöhung verursachter kumulativer Heizwert gleich dem abgeleiteten erforderlichen Heizwert ist.
System nach Anspruch 10, wobei die Steuerung (100) ferner eingerichtet ist, um: einen momentanen Heizwert durch Multiplizieren von Spannungs- und Stromwerten des Stapels der Brennstoffzelle abzuleiten; und einen kumulativen Heizwert durch Integrieren, auf der Grundlage einer Änderung der Zeit, des abgeleiteten momentanen Heizwertes von einem Zeitpunkt, bei dem begonnen wird, die Temperatur in dem Temperaturerhöhungsprozess zu erhöhen, abzuleiten.
System nach Anspruch 10, wobei die Steuerung (100) ferner eingerichtet ist, um: den kumulativen Heizwert unter Verwendung einer folgenden Gleichung nach dem Vorgang zum Ableiten des erforderlichen Heizwertes zu berechnen: $Kumulativer Heizwert = \int_{T 1}^{T 2} (V 2 - V 1) \times I d t$
wobei T1: Temperaturerhöhungsstartzeit, T2: aktuelle Zeit, V2: theoretische Spannung, V1: praktische Spannung, I: Stapelstrom.
System nach Anspruch 10, wobei die Steuerung (100) ferner eingerichtet ist, um: eine Ausgangsleistung des Fahrzeugs auf einen vorgegebenen Ausgangsleistungsgrenzwert zu begrenzen; den Ausgangsleistungsgrenzwert zu ändern, wenn der kumulative Heizwert des Stapels der Brennstoffzelle erhöht wird; und eine Kühlmittelpumpe des Stapels der Brennstoffzelle anzutreiben, wenn der erhöhte kumulative Heizwert des Stapels der Brennstoffzelle einem vorgegebenen kumulativen Referenzheizwert entspricht oder größer ist.