DE10316833B4

DE10316833B4 - Leistungsversorgungssystem und Steuerungsverfahren

Info

Publication number: DE10316833B4
Application number: DE10316833A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Toyota Sugiura; Tetsuhiro Toyota Ishikawa; Masao Ando; Kenji Kato
Original assignee: Equos Research Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Equos Research Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-04-11
Filing date: 2003-04-11
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2023-04-12
Also published as: US20030194586A1; US7575825B2; JP3911435B2; DE10316833A1; JP2003303605A

Abstract

Steuerungsverfahren für ein Leistungsversorgungssystem, in dem eine Brennstoffzelle (60) und eine Batterie (26) durch eine Leistungsversorgungsverkabelung (50) parallel mit einer externen Last (32, 40) verbunden sind, mit den folgenden Schritten:
Aktivieren der Brennstoffzelle (60),
Erhalt einer Lastanforderung und Berechnung sowie Anzeige der der Lastanforderung entsprechenden, vom Leistungsversorgungssystem (15; 115) an die Last (32, 40) zu liefernden elektrischen Energie, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
Abfrage der seit der letzten Aktivierung der Brennstoffzelle (60) vergangenen Zeit und Vergleich dieser Zeit mit einer bestimmten Referenzzeit,
Abfrage der der Brennstoffzelle (60) tatsächlichen zugeführten Brennstoffmenge,
Einstellen der von der Brennstoffzelle (60) abzugebenden Soll-Leistung unabhängig von der Brennstoffmenge, wenn die seit der letzten Brennstoffzellenaktivierung vergangene Zeit kleiner oder gleich der Referenzzeit ist, oder
Einstellen der von der Brennstoffzelle (60) abzugebenden Soll-Leistung in Abhängigkeit von der der Brennstoffzelle (60) tatsächlich zugeführten Brennstoffmenge, wenn bestimmt wird, dass die seit der letzten Brennstoffzellenaktivierung vergangene...

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Leistungsversorgungssystem mit einer Brennstoffzelle und einer Batterie, und ein diesbezügliches Steuerungsverfahren.

Eine Brennstoffzelle erzielt beim Ablauf einer elektrochemischen Reaktion eines Brennstoffgases, welches Wasserstoff enthält, mit einem Oxidationsgas, welches Sauerstoff enthält, eine elektromotorische Kraft. In einem Brennstoffzellensystem wird als Brennstoffgas Wasserstoff aus einem Wasserstoffbehälter und als Oxidationsgas Druckluft von einem Luftkompressor verwendet.

Derartige Brennstoffzellensysteme sind in der DE 102 60 013 A1 , DE 102 40 763 A1 , DE 101 14 011 A1 , DE 101 09 151 A1 , DE 199 54 306 C2 und DE 198 10 467 C2 gezeigt und beschrieben.

Bei einer Aktivierung der Brennstoffzelle werden die Arbeitsgänge: Entnehmen des Wasserstoffs aus dem Wasserstoffbehälter, und Antrieb des Luftkompressors gleichzeitig eingeleitet. Für eine kurze Zeit nach der Aktivierung der Brennstoffzelle ist es möglich, dass die zugeführte Brennstoffgas- und Oxidationsgasmengen nicht die Mengen erreichen, die notwendig sind, um die von einer Last geforderte elektrische Leistung (elektrische Soll-Leistung) zu erzeugen. Da es eine bestimmte Zeit dauert, bis der Luftkompressor nach seiner Aktivierung einen Zustand (stationären Zustand) erreicht, in dem er eine bestimmte Sauerstoffmenge einbringen kann, ist es durchaus möglich, dass die Oxidationsgasmenge in der Brennstoffzelle während des bestimmten Zeitraums unzureichend ist. Wenn die zugeführte Brennstoffgas- und Oxidationsgasmengen in Bezug auf die elektrische Soll-Leistung unzureichend sind, können sich in der Brennstoffzelle Probleme, beispielsweise ein Spannungsabfall, einstellen. Aus dem Stand der Technik ist daher bekannt, die von der Brennstoffzelle zu erzeugende elektrische Leistung (die elektrische Soll-Leistungserzeugungsmenge) auf der Grundlage der Strömungsmengen des Brennstoffgases und Oxidationsgases, die tatsächlich zugeführt werden, einzustellen, um zu verhindern, dass die Gasmenge unzureichend wird.

Wird die elektrische Soll-Leistungserzeugungsmenge auf der Grundlage der tatsächlich zugeführten Gasmenge eingestellt, so ist jedoch nicht auszuschließen, dass die von der Last geforderte elektrische Soll-Leistung in dem bestimmten Zeitraum nach der Aktivierung der Brennstoffzelle nicht ausreichend erzielt wird. Wenn das Brennstoffzellensystem beispielsweise als Leistungversorgung zum Antrieb eines Fahrzeugs ausgeführt ist, ist es dementsprechend möglich, dass innerhalb des bestimmten Zeitraums nach Aktivierung der Brennstoffzelle kein ausreichendes Beschleunigungsverhalten erreicht wird.

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung soll dieses Problem beheben und hat daher die Aufgabe, eine Technologie zu schaffen, die eine ausreichende elektrische Leistungserzeugung bei der Aktivierung der Brennstoffzelle in einem Leistungsversorgungssystem mit einer Brennstoffzelle und einer Batterie gewährleistet.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach dem Anspruch 1 bzw. ein System nach dem Anspruch 3 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand abhängiger Ansprüche.

Gemäß dem Steuerungsverfahren des Anspruchs 1 lässt sich durch die Brennstoffzelle, wenn die seit der letzten Aktivierung der Brennstoffzelle vergangene Zeit innerhalb der Referenzzeit liegt, ungeachtet der der Brennstoffzelle tatsächlich zugeführten Brennstoffmenge eine elektrische Leistung entsprechend der Lastanforderung erzielen.

In diesem Fall entspricht die Aktivierung der Brennstoffzelle dem Starten der Zufuhr von Brennstoff (des Brennstoffgases, das den Wasserstoff enthält, und des Oxidationsgases, das den Sauerstoff enthält) zur Brennstoffzelle. Weiter geht die externe Lastanforderung als elektrische Leistungmenge ein, die vom Leistungsversorgungssystem der Last zuzuführen ist. Wenn die Brennstoffzelle aktiviert wird, dauert es eine bestimmte Zeit, bis eine Vorrichtung, die die Brennstoffzelle mit dem Brennstoff versorgt, einen stationären Zustand (einen Betriebszustand, in dem eine Brennstoffmenge entsprechend einem Steuersignal zugeführt wird) erreicht hat Dementsprechend ist es möglich, dass für eine Weile nach Aktivierung der Brennstoffzelle die Brennstoffmenge, die von der Vorrichtung zur Versorgung der Brennstoffzelle mit dem Brennstoff zugeführt wird, nicht ausreicht, um eine elektrische Leistung entsprechend der Lastanforderung zu erzeugen.

Das erfindungsgemäße Steuerungsverfahren für das Leistungsversorgungssystem ermöglicht es nun, auch während des Zeitraums bis zum Erreichen des stationären Zustands der Vorrichtung zur Brennstoffversorgung die durch die Brennstoffzelle erzielbare elektrische Leistung in ausreichendem Maß sicherzustellen. Dabei erzeugt die Brennstoffzelle elektrische Leistung unter Verwendung des Brennstoffs, der in einer mit der Vorrichtung zur Versorgung der Brennstoffzelle mit dem Brennstoff in Verbindung stehenden Brennstoffleitung verblieben ist.

In dem erfindungsgemäßen Steuerungsverfahren des Leistungsversorgungssystems kann das Leistungsversorgungssystem einen ersten Betriebsmodus aufweisen, in dem der Betrieb der Brennstoffzelle gestoppt und eine Last durch die Batterie mit elektrischer Leistung versorgt wird, und einen zweiten Betriebsmodus, in dem die elektrische Leistung unter Verwendung der Brennstoffzelle erzeugt wird, wobei den Betrieb des Leistungsversorgungssystems während des Schaltens des Betriebsmodus zwischen dem ersten Betriebsmodus und dem zweiten Betriebsmodus in Abhängigkeit von der Lastanforderung fortgesetzt werden kann. Außerdem ist eine Aktivierung der Brennstoffzelle möglich, wenn der Betriebsmodus aus dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus geschaltet wird.

Mit Hilfe dieses Steuerungsverfahrens für das Leistungsversorgungssystem kann verhindert werden, dass bei einer Fortsetzung der Steuerung, in der der Betriebsmodus zwischen dem ersten Betriebsmodus und dem zweiten Betriebsmodus (abhängig von der Last) geschaltet wird, die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle jedes Mal dann unzureichend wird, wenn der Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus geschaltet wird.

Die Erfindung lässt sich in einer Vielzahl anderer Ausführungsformen als der vorstehend erläuterten Ausführungsform realisieren. Beispielsweise kann die Erfindung in Gestalt eines Leistungsversorgungssystems mit einer Brennstoffzelle und einer Batterie, in Gestalt eines Elektrofahrzeugs mit einem derartigen Leistungsversor gungssystem oder in Gestalt eines Steuerungsverfahrens für ein derartiges Elektrofahrzeug realisiert werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein beispielhaftes Blockschema, das eine schematische Konfiguration eines Elektrofahrzeugs gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
2 ist eine erläuternde Darstellung, die eine schematische Konfiguration eines Brennstoffzellensystems zeigt;
3 ist eine erläuternde Darstellung, die die Beziehung zwischen dem Ausgangsstrom und der Ausgangsspannung oder elektrischen Ausgangsleistung einer Brennstoffzelle zeigt;
4 ist eine erläuternde Darstellung, die die Beziehung zwischen der Größe der Ausgangsleistung und dem energetischen Wirkungsgrad der Brennstoffzelle zeigt;
5 ist ein Flussschema, das eine Prozessroutine zur Bestimmung des Betriebsmodus zeigt;
6 ist eine erläuternde Darstellung, die zeigt, wie die Ausgangsstrom/Ausgangsspannung-Kennlinie der Brennstoffzelle in Abhängigkeit von der Gasströmungsmenge variiert;
7 ist ein Flussschema, das eine Prozessroutine zur Steuerung im stationären Betriebsmodus zeigt;
8 ist ein Flussschema, das eine Prozessroutine zur Schaltzeitsteuerung in einem intermittierenden Betriebsmodus zeigt;
9 ist eine erläuternde Darstellung, die eine Konfiguration eines Elektrofahrzeugs gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt;
die 10A und 10B sind Flussschemata, die eine im Zuge einer Steuerung des Elektrofahrzeugs ausgeführte Prozessroutine zur Steuerung in dem stationären Betriebsmodus zeigen;
11 ist eine erläuternde Darstellung, die ein Beispiel für eine Ausgangsstrom/Ausgangsspannung-Kennlinie zeigt, wenn die SOC einer Sekundärbatterie variiert; und
12 ist ein Flussschema, das die im Zuge der Steuerung des Elektrofahrzeugs ausgeführte Prozessroutine zur Schaltzeitsteuerung in einem intermittierenden Betrieb zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGS-FORMEN
Zunächst wird die gesamte Konfiguration einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung erläutert.
1 ist ein beispielhaftes Blockschema, das eine schematische Konfiguration eines Elektrofahrzeugs 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. zeigt Das Elektrofahrzeug 10 weist eine Leistungsversorgungseinheit 15 auf. Als Lasten, die von der Leistungsversorgungseinheit 15 mit elektrischer Leistung versorgt werden, sind eine mit Hochspannung betriebenes Hilfsaggregat 40 und ein über einen Antriebsinverter 30 mit der Leistungsversorgungseinheit 15 verbundener Antriebsmotor 32 vorgese hen. Zwischen der Leistungsversorgungseinheit 15 und den Lasten ist eine Verkabelung 50 vorgesehen, über die der Austausch von elektrischer Leistung zwischen der Leistungsversorgungseinheit 15 und den Lasten erfolgt.
Die Leistungsversorgungseinheit 15 weist ein Brennstoffzellensystem 22 und eine Sekundärbatterie 26 auf. Das Brennstoffzellensystem 22 umfasst eine Brennstoffzelle (in den Fig. auch "FC" genannt), welche hauptsächlich für die Leistungserzeugung verantwortlich ist, wie es nachstehend erläutert wird. Die Sekundärbatterie 26. Die Sekundärbatterie 26 ist über einen Gleichspannungswandler 28 mit der Verkabelung 50 verbunden; der Gleichspannungswandler 28 und die Brennstoffzelle im Brennstoffzellensystem 22 sind durch die Verkabelung 50 parallel geschaltet. An der Verkabelung 50 ist des Weiteren eine Diode 42 angeschlossen, die verhindert, dass elektrischer Strom zurück zur Brennstoffzelle fließt. Weiter ist ein Schalter 20 zum Schalten der Verbindung der Brennstoffzelle mit der Verkabelung 50 an der Verkabelung 50 vorgesehen. Um die Spannung in der Leistungsversorgungseinheit 15 zu messen, ist ferner ein Voltmeter 52 an die Verkabelung 50 angeschlossen.
2 ist eine erläuternde Darstellung, die eine schematische Konfiguration des Brennstoffzellensystems 22 zeigt. Das Brennstoffzellensystem 22 weist eine Brennstoffzelle 60, eine Brennstoffgasversorgung 61 und ein Gebläse 64 auf. In der Ausführungsform wird eine PEM ("proton-exchange membrane")-Brennstoffzelle als Brennstoffzelle 60 verwendet.
Die Brennstoffgasversorgung 61 ist eine Vorrichtung zum Speichern von Wasserstoff und zum Versorgen der Brennstoffzelle 60 mit Wasserstoffgas als Brennstoffgas. Die Brennstoffgasversorgung 61 weist beispielsweise einen Wasserstoffzylinder auf. Alternativ dazu kann die Brennstoffgasversorgung 61 einen Wasserstoffbehälter mit einer integrierten Legierung, die Wasserstoff absorbiert, aufweisen und den Wasserstoff dadurch speichern, indem die Wasserstoff absorbierende Legierung den Wasserstoff absorbiert. Das in der Brennstoffgasversorgung 61 gespeicherte Wasserstoffgas wird über eine wasserstoffgasversorgungsleitung 62 der Anode der Brennstoffzelle 60 zugeführt, um für eine elektrochemische Reaktion bereitzustehen. Das bei der elektrochemischen Reaktion nicht herangezogene restliche Wasserstoffgas wird über eine Wasserstoffgasfreigabeleitung 63 freigegeben. Die Wasserstoffgasfreigabeleitung 63 ist mit der Wasserstoffgasversorgungsleitung 62 verbunden, wobei das restliche Wasserstoffgas zum Zweck der elektrochemischen Reaktion im Kreislauf geführt wird. Hierzu ist in der Wasserstoffgasfreigabeleitung 63 eine Wasserstoffpumpe 69 vorgesehen, die das restliche Wasserstoffgas durch die Brennstoffzelle 60 zirkulieren lässt.
Die durch das Gebläse 64 eingebrachte Druckluft wird über eine Oxidationsgasversorgungsleitung 65 der Kathode der Brennstoffzelle 60 als Oxidationsgas zugeführt. Das von der Brennstoffzelle 60 freigegebene Kathodenabgas wird über eine Kathodenabgasleitung 66 an die Umgebung abgegeben. In der Wasserstoffgasversorgungsleitung 62 und der Oxidationsgasversorgungsleitung 65 sind Strömungsratensensoren 67, 68 zum Erfassen der Strömungsmengen der durch die jeweilige Leitung strömenden Gase vorgesehen. Des Weiteren kann in der Wasserstoffgasversorgungsleitung 62 und der Oxidationsgasversorgungsleitung 65 ein Befeuchter zum Befeuchten des Wasserstoffgases oder der Luft vorgesehen sein.
Als Sekundärbatterie 26 können verschiedene Sekundärbatterien, wie z. B. ein Bleiakkumulator, ein Nickel- Cadmium-Akkumulator, ein Nickel-Wasserstoff-Akkumulator und eine Lithium-Sekundärbatterie, verwendet werden. Die Sekundärbatterie 26 liefert elektrische Leistung zum Antrieb jedes Teils des Brennstoffzellensystems 22, wenn das Brennstoffzellensystem 22 aktiviert ist, oder versorgt jeweils die Lasten mit elektrischer Leistung, bis der Warmlaufbetrieb der Brennstoffzellensystem 22 abgeschlossen ist. In dem Fall, in dem die Brennstoffzelle 60 elektrische Leistung in einem stationären Zustand erzeugt, kann die elektrische Leistung durch die Sekundärbatterie 26 vervollständigt werden, wenn die Last über einem bestimmten Wert liegt.
Wie es in 1 gezeigt ist, ist an der Sekundärbatterie 26 weiter ein Restkapazitätsmonitor 27 zum Erfassen der Restkapazität ("state of charge": SOC) der Sekundärbatterie 26 angebracht. In der Ausführungsform ist der Restkapazitätsmonitor 27 als ein SOC-Meter ausgeführt, das den Stromwert und die Lade- und Entladezeit der Sekundärbatterie 26 integriert. Alternativ dazu kann der Restkapazitätsmonitor 27 anstatt als SOC-Meter in Gestalt eines Spannungssensors ausgeführt sein. Da der Spannungswert der Sekundärbatterie 26 mit einer Abnahme der Restkapazität der Sekundärbatterie 26 sinkt, lässt sich die Restkapazität der Sekundärbatterie 26 auch durch eine Messung der Spannung erfassen.
Der Gleichspannungswandler 28 reguliert die Spannung in der Verkabelung 50 ein, indem er einen Soll-Spannungswert der Ausgangsseite einstellt, und reguliert so die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 60 zur Steuerung der durch die Brennstoffzelle 60 erzeugten elektrischen Leistungmenge. Der Gleichspannungswandler 28 spielt weiter eine Rolle als Schalter zum Steuern der Verbindung zwischen der Sekundärbatterie 26 und der Verkabelung 50. Wenn die Sekundärbatterie 26 weder geladen noch entladen werden muß, trennt der Gleichspannungswandler 28 die Sekundärbatterie 26 von der Verkabelung 50.
Der Antriebsmotor 32, der eine der Lasten darstellt, der die die von der Leistungsversorgungseinheit 15 mit elektrischer Leistung zu versorgen ist, ist ein Synchronmotor, und umfasst einen Drehstrommotor zum Erzeugen eines magentisches Drehfeldes. Der Antriebsmotor 32 wird über den Antriebsinverter 30 mit elektrischer Leistung aus der Leistungsversorgungseinheit 15 versorgt. Der Antriebsinverter 30 ist ein Transistorinverter, der einen Transistor als Schaltelement entsprechend jeder Phase des Antriebsmotors 32 umfasst. Eine Ausgangswelle 36 des Antriebsmotors 32 ist über ein Untersetzungsgetriebe 34 mit einer Fahrzeugantriebswelle 38 verbunden. Das Untersetzungsgetriebe 34 überträgt die vom Antriebsmotor 32 abgegebene Leistung nach einer Regelung der Drehzahl auf die Fahrzeugantriebswelle 38.
Das mit Hochspannung betriebene Hilfsaggregat 40, das eine weitere Last darstellt, ist eine Vorrichtung, die die von der Leistungsversorgungseinheit 15 bereitgestellte elektrische Leistung verbraucht, solange die Spannung auf einem Pegel gleich oder größer als 300 V bleibt. Beispiele für ein mit Hochspannung betriebenes Hilfsaggregat 40 sind das Gebläse 64 (siehe 2) zum Versorgen der Brennstoffzelle 60 mit Luft und die Wasserstoffpumpe 69 für die Zirkulation des Wasserstoffgases zwischen der Wasserstoffgasfreigabeleitung 63 und der Wasserstoffgasversorgungsleitung 62. Des Weiteren zählt zu einem mit Hochspannung betriebenen Hilfsaggregat 40 eine (nicht gezeigte) Kühlmittelpumpe für die Zirkulation eines Kühlmittels in der Brennstoffzelle 60 zur Kühlung der Brennstoffzelle 60. Wenngleich diese Vorrichtungen zum Brennstoffzellensystem 22 zählen, sind sie in 1 wie das mit Hochspannung betriebene Hilfsaggregat 40 au ßerhalb des Brennstoffzellensystems 22 befindlich dargestellt. Ein weiteres Beispiel für das mit Hochspannung betriebene Hilfsaggregat 40 als eine in dem Brennstoffzellensystem 22 enthaltene Vorrichtung ist eine im Elektrofahrzeug 10 vorgesehen Klimaanlage.
Das Elektrofahrzeug 10 weist ferner eine Steuereinrichtung 48 auf. Die Steuereinrichtung 48 ist als eine Logikschaltung konfiguriert, die als Hauptbestandteil einen Microcomputer aufweist. Das Elektrofahrzeug 10 weist im Besonderen eine CPU auf, die gemäß einem voreingestellten Steuerungsprogramm bestimmte Rechenprozesse durchführt, einen ROM, in dem ein Steuerungsprogramm, Steuerungsdaten und dergleichen, die zur Ausführung verschiedener Rechenprozesse durch die CPU notwendig sind, vorgespeichert sind, einen RAM, in den und aus dem verschiedene Daten, die zur Ausführung verschiedener Rechenprozesse durch die CPU notwendig sind, vorübergehend geschrieben bzw. gelesen werden, einen Eingangs- und Ausgangsport, über den verschiedene Signale ein- bzw. ausgegeben werden, und dergleichen. Die Steuereinrichtung 48 erhält ein durch das vorgenannte Voltmeter erfasstes 52 Signal, ein von dem Restkapazitätsmonitor 27 ausgegebenes Signal oder ein in Bezug auf den Fahrzeugbetrieb eingegebenes Anweisungssignal. Die Steuereinrichtung 48 gibt des weiteren ein Steuersignal an den Gleichspannungswandler 28, den Schalter 20, das Brennstoffzellensystem 22, den Antriebsinverter 30, das mit Hochspannung betriebene Hilfsaggregat 40 und dergleichen aus.
Im Folgenden wird nun der Betriebsmodus des Elektrofahrzeugs 10 erläutert.
In dem Elektrofahrzeug 10 gemäß der Ausführungsform wird die für den Antrieb des Fahrzeugs notwendige Energie in erster Linie durch das Brennstoffzellensystem 22 be reitgestellt. Im Folgenden wird der Betriebszustand, in dem die Brennstoffzelle 60 eine elektrische Leistung entsprechend der Lastgröße erzeugt, als ein "stationärer Betriebsmodus" bezeichnet. 3 zeigt die Beziehung zwischen dem Ausgangsstrom und der Ausgangsspannung bzw. der elektrischen Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 60. Wie es aus 3 ersichtlich ist, ist, wenn die von der Brennstoffzelle 60 abzugebende elektrische Leistung PFC bestimmt ist, die Größe IFC des Ausgangsstroms der Brennstoffzelle 60 zu dieser Zeit bestimmt. Wenn der Ausgangsstrom IFC auf der Grundlage der Ausgangskennlinie der Brennstoffzelle 60 bestimmt wird, ist die Ausgangsspannung VFC der Brennstoffzelle 60 zu dieser Zeit bestimmt. Wenn der stationäre Betriebsmodus gewählt wird, führt die Steuereinrichtung 48 eine Steuerung in der Weise aus, dass der Betrag der durch die Brennstoffzelle 60 erzeugten elektrischen Leistung gleich dem erforderlichen Betrag wird, indem es dem Gleichspannungswandler 28 eine Anweisung dahingehend zukommen lässt, dass die so bestimmte Ausgangsspannung VFC die Soll-Spannung ist. Der Wert der Ausgangsspannung oder der Wert der elektrischen Ausgangsleistung, der dem in 3 gezeigten Ausgangsstrom von der Brennstoffzelle 60 entspricht, variiert in Abhängigkeit von der Temperatur in der Brennstoffzelle 60. Wenn die Ausgangsspannung (Soll-Spannung) VFC von der Brennstoffzelle 60 in der vorstehend beschriebenen Weise bestimmt wird, wird daher vorzugsweise auch die Innentemperatur der Brennstoffzelle 60 berücksichtigt.
Des Weiteren wird in dem Elektrofahrzeug 10 gemäß der Ausführungsform bei einer Abnahme des energetischen Wirkungsgrads der Brennstoffzellensystem 22 auf einen unerwünschten Pegel, wenn die elektrische Leistung im stationären Betriebsmodus bereitgestellt wird, eine Steuerung zum Stoppen der elektrischen Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle 60 ausgeführt. Im Folgenden wird der Betriebszustand, in dem bei der Versorgung der Last mit elektrischer Leistung die elektrische Leistungserzeugung durch die Brennstoffzelle 60 gestoppt ist, als ein "intermittierender Betriebsmodus" bezeichnet.
Die 4A und 4B sind erläuternde Darstellungen, die die Größe der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 60 und den energetischen Wirkungsgrad zeigen. 4A zeigt die Beziehung zwischen dem Wirkungsgrad der Brennstoffzelle 60 und der von einem Hilfsaggregat geforderten Leistung sowie die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 60. Das Hilfsaggregat stellt einen Verbraucher der von der Brennstoffzelle 60 erzeugten Leistung dar. Beispiele für ein derartiges Hilfsaggregat sind das vorgenannte Gebläse 64, die Wasserstoffpumpe 69, die Kühlmittelpumpe und dergleichen. 4B zeigt die Beziehung zwischen der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 60 und dem Wirkungsgrad des gesamten Brennstoffzellensystems 22. Wie es in 4A gezeigt ist, nimmt der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle 60 mit einer Zunahme der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 60 nach und nach ab. Weiter nimmt die Hilfsmaschinenantriebsleistung, d. h. die Energie, die für den Antrieb einer Hilfsmaschine verbraucht wird, mit einer Zunahme der Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 60 zu. Wenn der Wirkungsgrad des gesamten Brennstoffzellensystems 22 auf der Grundlage des in 4A gezeigten Wirkungsgrads und der Hilfsmaschinenantriebsleistung bestimmt wird, hat der Systemwirkungsgrad dann den höchsten wert, wenn die Ausgangsleistung von der Brennstoffzelle 60 auf dem in 4B gezeigten bestimmten Wert liegt.
Die Größe des elektrischen Leistungsverbrauchs des Hilfsaggregats ist im Vergleich zur Größe des elektrischen Leistungsverbrauchs des Antriebsmotors 32 relativ klein. Wenn die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 60 aber klein ist, wird der Betrag der elektrischen Leis tung, die vom Hilfsaggregat verbraucht wird, im Vergleich zum Betrag der durch die elektrische Leistungserzeugung erzielbaren elektrischen Leistung groß. Dementsprechend wird, wie es in 4B gezeigt ist, wenn die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 60 klein ist, der energetische Wirkungsgrad des gesamten Brennstoffzellensystems 22 klein. In dem Elektrofahrzeug 10 gemäß der Ausführungsform wird bei kleiner Last, d. h. wenn sich der Wirkungsgrad des gesamten Brennstoffzellensystems 22 verschlechtert (wenn die Ausgangsleistung von der Brennstoffzelle 60 kleiner wird als die die in 4B gezeigte Leistung P0 und der Wirkungsgrad des gesamten Systems bis auf einen Pegel unter E0 absinkt), durch Anwendung des intermittierenden Betriebsmodus, in dem der Betrieb der Brennstoffzelle 60 gestoppt wird, ein Absinken des energetischen Wirkungsgrads verhindert.
Darüber hinaus wird in dem Elektrofahrzeug 10 in einer Bremsbetätigungsphase (wenn der Fahrer während der Fahrt das Bremspedal betätigt) unter Verwendung des Antriebsmotors 32 als Leistunggenerator die kinetische Energie einer Welle in eine elektrische Energie umgewandelt und die umgewandelte Energie zurückgewonnen. Der Betriebszustand, in dem die Energie während der Bremsbetätigungsphase zurückgewonnen wird, wird als ein "regenerativer Betriebsmodus" bezeichnet. In dem Elektrofahrzeug 10 wird die Energie, die in dem regenerativen Modus als elektrische Leistung zurückgewonnen wird, in der Sekundärbatterie 26 gespeichert. In dem Elektrofahrzeug 10 wird, wenn sich das Elektrofahrzeug 10 in den regenerativen Modus befindet und der Antriebsmotor 32 elektrische Leistung erzeugt, die elektrische Leistung von der Seite des Antriebsmotors 32 über den Antriebsinverter 30 der Verkabelung 50 zugeführt. Dabei wird die elektrische Leistung von der Verkabelung 50 über den Gleichspannungswandler 28 der Sekundärbatterie 26 zugeführt und die Sekundärbatterie geladen. Wenn auf der Grundlage des Erfassungsergebnisses des Restkapazitätsmonitors 27 bestimmt wird, dass die Sekundärbatterie 26 voll geladen ist, wird die Sekundärbatterie 26 auch während einer Bremsbetätigungsphase nicht in der vorgenannten Weise geladen.
5 ist ein Flussschema, das eine Prozessroutine zum Bestimmen und Wählen des Betriebsmodus des Elektrofahrzeugs 10 zeigt. Die Steuereinrichtung 48 führt die Routine während eines Betriebs, in dem die Leistungsversorgungseinheit 15 in Einsatz ist, nach vollständigem Warmlauf des Elektrofahrzeugs 10 in bestimmten Intervallen aus.
Im Zuge der Ausführung der Routine bestimmt die Steuereinrichtung 48, ob eine Bremsbetätigung stattfindet (Schritt S100). Wenn bestimmt wird, dass keine Bremsbetätigung stattfindet, liest die Steuereinrichtung 48 die Lastanforderung (Schritt S110). Die Lastanforderung ist die vom Antriebsinverter 30 geforderte elektrische Leistung, um einen erforderlichen Fahrzustand zu realisieren, und wird auf der Grundlage der Fahrzeuggeschwindigkeit und der Stellung eines nicht gezeigten Gaspedals des Elektrofahrzeugs 10 bestimmt.
Anschließend wird die erforderliche elektrische Leistung Preq, die von der Leistungsversorgungseinheit 15 gefordert wird, auf der Grundlage der im Schritt S110 gelesenen Lastanforderung berechnet (Schritt S120). Wenn die erforderliche elektrische Leistung Preq berechnet wird, wird neben der elektrischen Leistung, die der Antriebsinverter 30 benötigt, auch der elektrische Leistungsverbrauch des mit Hochspannung betriebenen Hilfsaggregats 40 berücksichtigt. Des Weiteren kann eine elektrische Leistung zum Laden der Sekundärbatterie 26 hinzu kommen, wenn die Restkapazität der Sekundärbatterie 26 auf oder unter einem bestimmten Wert liegt.
Nach der Berechnung der erforderlichen elektrischen Leistung Preq wird bestimmt, ob die erforderliche elektrische Leistung Preq kleiner ist als ein bestimmter Referenzwert (Schritt S130). In diesem Fall entspricht der bestimmte Referenzwert der in 4B gezeigten Leistung P0. Wenn im Schritt S130 bestimmt wird, dass die erforderliche elektrische Leistung Preq kleiner ist als der bestimmte Referenzwert, wird der intermittierende Betriebsmodus gewählt (Schritt S140); anschließend endet die Routine. Wenn der intermittierende Betriebsmodus gewählt wird, wird der Betrieb des Brennstoffzellensystems 22 selbst dann gestoppt, wenn bis zu diesem Zeitpunkt der stationäre Betriebsmodus gewählt war. D. h. der Betrieb der Brennstoffgasversorgung 61 und des Gebläses 64 werden gestoppt, um die Gaszufuhr zur Brennstoffzelle 60 zu unterbrechen. Des Weiteren wird der Schalter 20 (siehe 1) geöffnet, um die Brennstoffzelle 60 von der Verkabelung 50 zu trennen. Wenn der intermittierende Betriebsmodus gewählt und der Betrieb der Brennstoffzellensystem 22 gestoppt ist, wird der Antriebsinverter 30 somit von der Sekundärbatterie 26 mit elektrischer Leistung entsprechend der erforderlichen elektrischen Leistung Preq versorgt. Wenn der intermittierende Betriebsmodus im Schritt S140 erneut gewählt wird, nachdem er bereits gewählt war, wird der Betriebszustand, in dem der Betrieb des Brennstoffzellensystem 22 gestoppt ist und die erforderliche elektrische Leistung von der Sekundärbatterie 26 erhalten wird, beibehalten.
Wenn im Schritt S130 bestimmt wird, dass die erforderliche elektrische Leistung Preq auf oder über dem bestimmten Referenzwert liegt, wird der stationäre Betriebsmodus gewählt (Schritt S150); anschlieflend endet die Routine. Wenn der stationäre Betriebsmodus gewählt wird, wird das Brennstoffzellensystem 22 aktiviert, sofern bis dahin ein anderer Betriebsmodus gewählt war. D. h. die Brennstoffgasversorgung 61 und das Gebläse 64 werden aktiviert, um die Gaszufuhr zur Brennstoffzelle 60 zu starten. Während der Aktivierung ist des Weiteren der Schalter 20 (siehe 1) geschlossen, um die Brennstoffzelle 60 mit der Verkabelung 50 zu verbinden. Nachstehend wird der Betrieb im Anschluss an die Wahl des stationären Betriebsmodus und der Aktivierung des Brennstoffzellensystems 22 erläutert. Wenn im Schritt S100 bestimmt wird, dass eine Bremsbetätigung stattfindet, wird der regenerative Betriebsmodus gewählt (Schritt S160); anschließend endet die Routine.
Im Folgenden wird die Steuerung im stationären Betriebsmodus auf der Grundlage der Gasströmungsmenge erläutert.
In dem stationären Betriebsmodus wird der Betrag der elektrischen Leistungserzeugung in Abhängigkeit von der Strömungsmenge des der Brennstoffzelle 60 zugeführten Gases gesteuert. 6 ist eine erläuternde Darstellung, die zeigt, wie die Ausgangsstrom/Ausgangsspannung-Kennlinie der Brennstoffzelle 60 in Abhängigkeit von der Gasströmungsmenge variiert. 6 zeigt, wie die Ausgangsstrom/Ausgangsspannung-Kennlinie mit einer Zunahme der zugeführten Gasmenge in der Reihenfolge F1, F2, F3 und F4 variiert.
Wie es in 6 gezeigt ist, nimmt die Ausgangsspannung mit einer Zunahme des Ausgangsstroms nach und nach ab, wenn in der Brennstoffzelle 60 unter Zufuhr von Gas mit einer bestimmten Strömungsmenge elektrische Leistung erzeugt wird. Dementsprechend liegt der maximale wert der als das Produkt aus dem Ausgangsstrom und der Ausgangsspannung angegebenen elektrischen Ausgangsleistung von der Brennstoffzelle 60 auf einem bestimmten wert, wobei sich der maximale Wert der elektrischen Ausgangsleistung in Abhängigkeit von der zugeführten Gasmenge bestimmen lässt. 6 zeigt ein Beispiel, in dem die zugeführte Gasmenge F2 beträgt, die elektrische Ausgangsleistung den maximalen Wert Pm hat, der Ausgangsstrom Im beträgt und die Ausgangsspannung Vm beträgt.
In dem Elektrofahrzeug 10 gemäß der Ausführungsform sind die Ausgangsstrom/Ausgangsspannung-Kennlinien entsprechend den jeweils zugeführten Gasmengen in dem vorgenannten ROM als Bestandteil der Steuereinrichtung 48 gespeichert. In dem Brennstoffzellensystem 22 wird die zugeführte Gasmenge gemessen, wobei der maximale Wert der elektrischen Leistung, die von der Brennstoffzelle 60 abgegeben werden kann, unter Bezugnahme auf die Ausgangsstrom/Ausgangsspannung-Kennlinie bestimmt wird. In dem Elektrofahrzeug 10 gemäß der Ausführungsform entspricht der in Abhängigkeit von der zugeführten Gasmenge bestimmte maximale Wert der elektrischen Ausgangsleistung der elektrischen Leistung, die die Brennstoffzelle 60 abgeben kann. In der Ausführungsform sind sowohl die Ausgangsstrom/Ausgangsspannung-Kennlinie, wenn die Wasserstoffgasmenge bei ausreichender Zufuhr von Oxidationsgas verändert wird, als auch die Ausgangsstrom/Ausgangsspannung-Kennlinie, wenn die Oxidationsgasmenge bei ausreichender Zufuhr von Wasserstoffgas verändert wird, abgespeichert. Wenn die der Brennstoffzelle 60 zugeführten Wasserstoffgas- und Oxidationsgasmengen erfasst sind, wird der Betrag der elektrischen Leistung, die die Brennstoffzelle 60 abgeben kann, unter Bezugnahme auf die Ausgangsstrom/Ausgangsspannung-Kennlinie entsprechend der Gasströmungsmenge auf der Seite, auf der das Gas eher unzureichend wird, bestimmt.
7 ist ein Flussschema, das die Prozessroutine zur Steuerung im stationären Betriebsmodus zeigt, die in bestimmten Intervallen in der Steuereinrichtung 48 ausgeführt wird, wenn im Schritt S150 der in 5 gezeigten Prozessroutine zur Bestimmung des Betriebsmodus der stationäre Betriebsmodus gewählt wurde. Ungeachtet der Wahl des stationären Betriebsmodus im Schritt S150 von 5 wird, wie es nachstehend erläutert wird, eine andere Steuerung ausgeführt, wenn der Betriebsmodus aus dem intermittierenden Betriebsmodus in den stationären Betriebsmodus geschaltet wird.
Wenn die Routine ausgeführt wird, erhält die Steuereinrichtung 48 zunächst von den Strömungsratensensoren 67, 68 Informationen über die Strömungsmenge des durch die Wasserstoffgasversorgungsleitung 62 strömenden Wasserstoffgases und die Strömungsmenge des durch die Oxidationsgasversorgungsleitung 65 strömenden Oxidationsgases (Schritt S200). Dann wird auf der Grundlage der Gasströmungsmenge, die im Schritt S200 unter Bezugnahme auf die im ROM der Steuereinrichtung 48 gespeicherte Ausgangsstrom/Ausgangsspannung-Kennlinie gelesen wurde, die elektrische Leistung Pperm bestimmt, die von der Brennstoffzelle 60 abgegeben werden kann (Schritt S210). Des Weiteren wird unter Bezugnahme auf die Ausgangsstrom/Ausgangsspannung-Kennlinie die Ausgangsspannung Vperm von der Brennstoffzelle 60 bestimmt, wenn die elektrische Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 60 Pperm ist.
Nachdem die elektrische Leistung Vperm bestimmt ist, die von der Brennstoffzelle 60 abgegeben werden kann, wird die Differenz (Preq – Pperm) zwischen der im Schritt S120 in 5 berechneten erforderlichen elektrischen Leistung Preq und der elektrischen Leistung Pperm, die abgegebenen werden kann, berechnet (Schritt S220). Wenn (Preq – Pperm) positiv ist, d. h. wenn die erforderliche elektrischen Leistung größer ist als die elektrische Leistung, die von der Brennstoffzelle 60 abgegeben werden kann, wird die von der Brennstoffzelle 60 abzugebende elektrische Leistung PFC auf Pperm gesetzt, die abgegeben werden kann (Schritt S230).
Dann wird der elektrische Soll-Leistungsverbrauch PM des Antriebsmotors 32 auf der Grundlage von Pperm eingestellt (Schritt S240). Der elektrische Soll-Leistungsverbrauch PM wird als die Differenz zwischen der elektrischen Leistung Pperm, die von der Brennstoffzelle 60 abgegeben werden kann, und dem elektrischen Leistungsverbrauch der mit Hochspannung betriebenen Hilfsaggregate 40 zu dieser Zeit bestimmt. Anschließend wird auf der Grundlage der von der Brennstoffzelle 60 abzugebenden, im Schritt S230 eingestellten elektrischen Leistung PFC ein Steuersignal an den Gleichspannungswandler 28 sowie auf der Grundlage des im Schritt S240 eingestellten elektrischen Soll-Leistungsverbrauchs PM ein Steuersignal an den Antriebsinverter 30 ausgegeben (Schritt S270); anschließend endet die Routine. D. h. dass ein Steuersignal derart an den Gleichspannungswandler 28 ausgegeben wird, dass die Spannung an der Ausgangsseite Vperm wird. Die Spannung der Verkabelung 50 und die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 60 werden somit Vperm. Durch die Ausgabe des Steuersignals, wie vorstehend erwähnt, an den Antriebsinverter 30 wird elektrische Leistungsverbrauch des Antriebsmotors 32 gleich der auf der Grundlage von Pperm eingestellten Leistung PM. Die elektrische Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 60 wird dementsprechend gleich PFC=Pperm.
Wenn im Schritt S220 die Differenz (Preq – Pperm) gleich oder kleiner ist als Null, da die erforderliche elektrische Leistung Preq gleich oder kleiner ist als die elektrische Leistung Pperm, die von der Brennstoffzelle 60 abgegeben werden kann, wird die von der Brennstoffzelle 60 abzugebende elektrische Leistung PFC auf die erforderliche elektrische Leistung Preq eingestellt (Schritt S250). Dann wird der elektrische Soll-Leistungsverbrauch PM des Antriebsmotors 32 auf der Grundlage der vorgenannten Lastanforderung eingestellt (Schritt S260) (siehe Schritt S120 in 5). D. h. dass der elektrische Soll-Leistungsverbrauch PM so eingestellt wird, dass der Antriebsmotor 32 eine elektrische Leistung entsprechend der auf der Grundlage der Fahrzeuggeschwindigkeit und der Gaspedalstellung bestimmten Lastanforderung verbraucht.
Anschließend wird auf der Grundlage der von der Brennstoffzelle 60 abzugebenden, im Schritt S250 eingestellten elektrischen Leistung PFC das Steuersignal an den Gleichspannungswandler 28 und auf der Grundlage des im Schritt S260 eingestellten elektrischen Soll-Leistungsverbrauchs PM das Steuersignal an den Antriebsinverter 30 ausgegeben (Schritt S270); anschließend endet die Routine. Dabei wird das Steuersignal so an den Gleichspannungswandler 28 ausgegeben, dass die Spannung an der Ausgangsseite gleich der Ausgangsspannung wird, bei der die elektrische Ausgangsleistung von der Brennstoffzelle 60 Preq wird. Die Ausgangsspannung, bei der die elektrische Ausgangsleistung von der Brennstoffzelle 60 Preq wird, wird auf der Grundlage der in der Steuereinrichtung 48 gespeicherten, vorgenannten Ausgangsstrom/Ausgangsspannung-Kennlinie und der im Schritt S200 gelesenen Gasströmungsmenge bestimmt. Der elektrische Leistungsverbrauch des Antriebsmotors 32 wird durch die Ausgabe des Steuersignals an den Antriebsinverter 30, wie vorstehend erwähnt, gleich dem auf der Grundlage der Lastanforderung eingestellten PM. Dementsprechend erreicht die elektrische Ausgangsleistung von der Brenn stoffzelle 60 einen Wert entsprechend der Lastanforderung.
Wenn die zugeführte Gasmenge in Bezug auf die Lastanforderung infolge der Ausführung der Prozessroutine zur Steuerung im stationären Betriebsmodus in 7 ausreichend ist, wird die elektrische Leistung, die zur Realisierung des erforderlichen Fahrzustands des Elektrofahrzeugs 10 notwendig ist, durch die Brennstoffzelle 60 erzeugt. Im Gegensatz dazu erzeugt die Brennstoffzelle 60, wenn die zugeführte Gasmenge in Bezug auf die Lastanforderung unzureichend ist, eine der zugeführten Gasmenge entsprechende elektrische Leistung. Dabei ist die Höhe der Beschleunigung des Elektrofahrzeugs 10 im Vergleich zur Gaspedalstellung als ein Befehlswert der Beschleunigung unzureichend.
In dem Elektrofahrzeug 10 werden, wenn der stationäre Betriebsmodus gewählt und das Brennstoffzellensystem 22 aktiviert ist, die Brennstoffgasversorgung 61 und das Gebläse 64 in Abhängigkeit von der Größe der Lastanforderung so gesteuert, dass sie die Brennstoffzelle 60 mit der notwendigen Brennstoffgas- und Oxidationsgasmenge versorgen. Daher wird im Normalfall die elektrische Leistung Pprem, die durch die Brennstoffzelle 60 erzeugt werden kann, im wesentlichen gleich der erforderlichen elektrischen Leistung Preq, so dass die erforderliche elektrische Leistung Preq durch die Brennstoffzelle 60 erzeugt werden kann. Bei einer starken Schwankung der Lastanforderung ist es jedoch möglich, dass die zugeführte Gasmenge nicht in einem ausreichenden Maß der Lastanforderung entspricht. Dementsprechend wird die Erzeugung der elektrischen Leistung auf der Grundlage der Strömungsmenge des in der vorstehenden Weise zugeführten Gases gesteuert, was verhindert, dass die Ausgangsspannung der Brennstoffzelle 60 aufgrund der Tatsache, dass die elekt rische Leistungserzeugung in Bezug auf die zugeführte Gasmenge zu groß wird, auf einen unerwünschten Pegel abfällt.
Wenn der elektrische Soll-Leistungsverbrauch PM des Antriebsmotors 32 auf der Grundlage der elektrischen Leistung Pperm, die erzeugt werden kann, im Schritt S240 eingestellt wird, kann, wenn die Restkapazität der Sekundärbatterie 26 auf oder über einem bestimmten Wert liegt, der Antriebsinverter 80 ebenso von der Sekundärbatterie 26 mit elektrischer Leistung versorgt werden. In diesem Fall wird die von Sekundärbatterie 26 abgegebene elektrische Leistung auf der Grundlage der durch den Restkapazitätsmonitor 27 erfassten Restkapazität der Sekundärbatterie 26 bestimmt. Anschließend wird ein durch Hinzugabe der von der Sekundärbatterie 26 abgegebenen elektrischen Leistung erhaltener wert auf den elektrischen Soll-Leistungsverbrauch PM des Antriebsmotors 32 eingestellt. Wenn die elektrische Leistung bei ausreichender Restkapazität der Sekundärbatterie 26 durch die Sekundärbatterie 26 vervollständigt wird, kann eine Steuerung in der Weise ausgeführt werden, dass der elektrische Soll-Leistungsverbrauch PM des Antriebsmotors 32 wie im Fall des Schritts S260 gleich einem Wert entsprechend der Lastanforderung wird.
Im Schritt S200 kann anstelle der Erfassung sowohl der Strömungsmenge des Wasserstoffgases als auch der Strömungsmenge des Oxidationsgases auch nur eine der beiden Gasströmungsmengen erfasst und die elektrische Leistung Pperm, die von der Brennstoffzelle 60 abgegeben werden kann, auf der Grundlage der erfassten Gasströmungsmenge bestimmt werden. Wenn beispielsweise die Oxidationsgasmenge in Bezug auf die Wasserstoffgasmenge ständig unzureichend ist, kann die vorgenannte Steuerung ausgeführt werden, indem die Ausgangsstrom/Ausgangsspannung- Kennlinie gespeichert wird, die sich nur auf das Oxidationsgas bezieht, und die Strömungsmenge des Oxidationsgases erfasst wird.
Im Folgenden wird die Steuerung erläutert, wenn der Betriebsmodus der Brennstoffzelle umgeschaltet wird.
8 ist ein Flussschema, das eine Prozessroutine zur Schaltzeitsteuerung des intermittierenden Betriebs zeigt. Die Routine wird in der Steuereinrichtung 48 ausgeführt, wenn im Schritt S140 der in 5 gezeigten Prozessroutine zur Bestimmung des Betriebsmodus der intermittierende Betriebsmodus gewählt wird. Nach der Ausführung der Routine wird, wenn die in 5 gezeigte Prozessroutine zur Bestimmung des Betriebsmodus das nächste Mal ausgeführt wird, bestimmt, ob der stationäre Betriebsmodus gewählt wird (Schritt S300). D. h. es wird bestimmt, ob der Betriebsmodus vom intermittierenden Betriebsmodus in den stationären Betriebsmodus geschaltet wird. In der Prozessroutine zur Bestimmung des Betriebsmodus wird, wenn der gewählte Betriebszustand aus dem intermittierenden Betriebsmodus in den stationären Betriebsmodus geschaltet wird, wie vorstehend erwähnt, während dieses Zeitraums die Steuerung gemäß der Prozessroutine zur Schaltzeitsteuerung im intermittierenden Betriebmodus ausgeführt, ohne die in 7 gezeigte Prozessroutine zur Steuerung im stationären Betriebsmodus auszuführen. Wenngleich in der Prozessroutine zur Bestimmung des Betriebsmodus im Schritt S140 der intermittierende Betriebsmodus gewählt wurde, befindet sich der Prozess während einer wiederholten Durchführung der Bestimmung, die im Schritt S300 der Prozessroutine zur Steuerung des Schaltens des intermittierenden Betriebs gezeigt ist, in einer Warteschleife.
Wenn im Schritt S300 bestimmt wird, dass der Betriebsmodus aus dem intermittierenden Betriebsmodus in den stationären Betriebsmodus geschaltet wird, initialisiert die Steuereinrichtung 48 einen (nicht gezeigten) integrierten Zeitgeber (Schritt S310). Somit wird die Zeit T, die seit dem Schalten des Betriebsmodus aus dem intermittierenden Betriebsmodus in den stationären Betriebsmodus vergangen ist, gemessen. Wenn im Schritt S150 in 5 der stationäre Betriebsmodus gewählt war, und wenn im Schritt S300 in 8 bestimmt wird, dass der Betriebsmodus in den stationären Betriebsmodus geschaltet wird, wird, wie vorstehend erwähnt, das Brennstoffzellensystem 22 aktiviert. Mit Beginn der Messung der vergangenen Zeit T werden daher die Brennstoffgasversorgung 61 und das Gebläse 64 aktiviert, um die Gaszufuhr zur Brennstoffzelle 60 zu starten. Ein Steuersignal wird zu der aktivierten Brennstoffgasversorgung 61 und dem Gebläse 64 übertragen, um die Brennstoffzelle 60 mit der Gasmenge zu versorgen, die notwendig ist, damit die Brennstoffzelle 60 die im Schritt S120 in 5 berechnete erforderliche elektrische Leistung Preq erzeugt.
Anschließend wird bestimmt, ob die vergangene Zeit T unter der bestimmten Referenzzeit T1 liegt (Schritt S320). Wenn bestimmt wird, dass die vergangene Zeit T kürzer ist als die Referenzzeit T1, wird die von der Brennstoffzelle 60 abzugebende elektrische Leistung PFC auf die im Schritt S120 in 5 berechnete, erforderliche elektrische Leistung Preq eingestellt (Schritt S330). Dann wird der elektrische Soll-Leistungsverbrauch PM des Antriebsmotors 32 auf der Grundlage der vorgenannten Lastanforderung (siehe Schritt S120 in 5) eingestellt (Schritt S340). D. h. der elektrische Soll-Leistungsverbrauch PM wird so eingestellt, dass der Antriebsmotor 32 eine elektrische Leistung entsprechend der auf der Grundlage der Fahrzeuggeschwindigkeit und der Gaspedalstellung bestimmten Lastanforderung verbraucht. Dann wird auf der Grundlage der von der Brennstoffzelle 60 abzugebenden, im Schritt S330 eingestellten elektrischen Leistung PFC das Steuersignal an den Gleichspannungswandler 28 und auf der Grundlage des im Schritt S340 eingestellten elektrischen Soll-Leistungsverbrauchs PM das Steuersignal an den Antriebsinverter 30 ausgegeben (Schritt S350). In diesem Fall entsprechen die Prozesse in den Schritten S330 bis S350 inhaltlich den Prozessen der Schritte S250 bis S270 in 7.
Anschließend geht der Prozess zum Schritt S320 zurück, in dem die vergangene Zeit T mit der Referenzzeit T1 verglichen wird. Nach dem Schalten des Betriebsmodus aus dem intermittierenden Betriebsmodus in den stationären Betriebsmodus wird somit bis zum Ablauf der bestimmten Zeit eine Steuerung so ausgeführt, dass die Brennstoffzelle 60 eine elektrische Leistung entsprechend der erforderlichen elektrischen Leistung Preq erzeugt, ohne die Strömungsmenge des der Brennstoffzelle zugeführten Gases zu berücksichtigten.
Wenn im Schritt S320 bestimmt wird, dass die vergangene Zeit T über der Referenzzeit T1 liegt, schaltet der Prozess in die in 7 gezeigte Prozessroutine zur Steuerung im stationären Betriebsmodus (Schritt S360); anschließend endet die Routine. Wenn der Prozess zur Prozessroutine zur Steuerung im stationären Betriebsmodus gegangen ist, wird eine Steuerung ausgeführt, bei der die Strömungsmenge des der Brennstoffzelle 60 zugeführten Gases berücksichtigt wird.
Mit Hilfe der in der vorstehend geschilderten Weise konfigurierten Leistungsversorgungseinheit 15 gemäß der Ausführungsform lässt sich somit eine Antriebskraft entsprechend der Lastanforderung gewährleisten, wenn der Be triebsmodus aus dem intermittierenden Betriebsmodus in den stationären Betriebsmodus geschaltet wird. D. h. dass unter Verwendung der Brennstoffzelle 60 in dem Elektrofahrzeug 10 eine Beschleungigung entsprechend der Gaspedalstellung gewährleistet werden kann, wenn der Betriebsmodus in den stationären Betriebsmodus schaltet.
Wenn der Betriebsmodus aus dem intermittierenden Betriebsmodus in den stationären Betriebsmodus geschaltet und das Brennstoffzellensystem 22 aktiviert wird, benötigen die Brennstoffgasversorgung 61 und das Gebläse 64 eine bestimmte Zeit, um einen stationären Zustand zu erreichen, in dem eine Gasmenge entsprechend dem Steuersignal bereitgestellt werden kann. Dementsprechend kann für eine Weile nach der Aktivierung (beispielsweise 1 bis 3 Sekunden) die Gasmenge (die Menge, die notwendig ist, um die erforderliche elektrische Leistung Preq zu erzeugen) entsprechend dem Steuersignal der Brennstoffzelle 60 nicht zugeführt werden. Daher wird, wenn die Steuerung gemäß der in 7 gezeigten Prozessroutine zur Steuerung im stationären Betriebsmodus von Beginn an ausgeführt wird, wenn der Betriebsmodus in den stationären Betriebsmodus schaltet, bestimmt, dass die elektrische Leistung Pperm, die von der Brennstoffzelle 60, d. h. auf der Grundlage der zugeführten Gasmenge, abgegeben werden kann, kleiner ist als die erforderliche elektrische Leistung Preq. Bei einer derartigen Bestimmung wird ein elektrischer Leistungsverbrauch des Antriebsmotors 32 unterdrückt. Dementsprechend kann die erforderliche Beschleunigung des Elektrofahrzeugs nicht erzielt werden.
Dagegen kann in dem Elektrofahrzeug 10 gemäß der Ausführungsform während des Zeitraums vom Schalten des Betriebsmodus in den stationären Betriebsmodus bis zum Ablauf der bestimmten Zeit eine Beschleunigung entsprechend der Lastanforderung ausgeführt werden. Solche eine Steuerung ist möglich, da in der Wasserstoffgasversorgungsleitung 62 und der Oxidationsgasversorgungsleitung 65 eine Gasmenge verblieben ist. D. h. dass trotz eines Stops des Betriebs der Brennstoffgasversorgung 61 und des Gebläses 64, wenn der intermittierende Betriebsmodus gewählt und der Betrieb des Brennstoffzellensystems 22 gestoppt wird, Wasserstoffgas und Oxidationsgas in der Wasserstoffgasversorgungsleitung 62 bzw. der Oxidationsgasversorgungsleitung 65 zurückbleiben. In der Ausführungsform wird die elektrische Leistung, die über die elektrische Leistung Pperm hinausgeht, die erzeugt werden kann und die auf der Grundlage der erfassten Gasströmungsmenge bestimmt wird, durch die Brennstoffzelle 60 unter Verwendung der bereits in den Leitungen befindlichen bestimmten Gasmenge erzeugt. Beim Schalten des Betriebsmodus wird somit trotz der Tatsache, dass die durch die Strömungsratensensoren 67, 68 erfasste Gasströmungsmenge unzureichend ist, um die erforderliche elektrische Leistung Preq zu erzeugen, die erforderliche elektrische Leistung Preq durch die Brennstoffzelle 60 erzeugt.
Da die Steuerung ausgeführt wird, die das in den Gasleitungen verbliebene Gas heranzieht, muß die Referenzzeit T1, die bei der Bestimmung in dem in 8 gezeigten Schritt S320 verwendet wird, auf der Grundlage des Volumens der Wasserstoffgasversorgungsleitung 62 und der Oxidationsgasversorgungsleitung 65 bestimmt werden. Es muß die Zeit eingestellt werden, in der die bei einer normalen Beschleunigung als erforderlich erachtete elektrische Leistung beim Schalten des Betriebsmodus unter Verwendung des in der Leitung verbliebenen Gases erzeugt werden kann. Wenn die Referenzzeit T1, in der eine Steuerung ohne Berücksichtigung der erfassten Gasströmungsmenge ausgeführt wird, in Abhängigkeit von der in den Leitungen verbliebenen Gasmenge bestimmt wird, befinden sich somit die Brennstoffgasversorgung 61 und das Gebläse 64 nach Ablauf der Referenzzeit T1 nicht notwendig in dem stationären Zustand. Durch Ausführung der vorgenannten Steuerung kann jedoch eine Verschlechterung des Ansprechens der Ausgangsleistung auf die Lastanforderung für einen bestimmten Zeitraum nach der Aktivierung der Brennstoffzellensystem 22, wenn der Betriebsmodus in den stationären Betriebsmodus schaltet, verhindert werden.
Wenn der Betriebsmodus aus dem intermittierenden Betriebsmodus in den stationären Betriebsmodus geschaltet wird, kann die Restkapazität der Sekundärbatterie 26 aufgrund der Tatsache, dass die Sekundärbatterie 26 während des intermittierenden Betriebsmodus Leistung abgibt, abnehmen. Auch wenn die Restkapazität der Sekundärbatterie 26 unzureichend ist, kann der geforderte Fahrzustand durch die Ausführung der in 8 gezeigten Steuerung gewährleistet werden, ohne die elektrische Leistung durch die Sekundärbatterie 26 zu vervollständigen. Wenn die Restkapazität der Sekundärbatterie 26 während des intermittierenden Betriebsmodus abfällt, wird die Sekundärbatterie 26 während der Ausführung der Prozessroutine zur Schaltzeitsteuerung im intermittierenden Betriebsmodus vorzugsweise nicht durch die Brennstoffzelle 60 geladen. Dementsprechend kann ein Fahrzustand entsprechend der Lastanforderung im Elektrofahrzeug 10 ausreichend sichergestellt werden, wenn der Betriebsmodus in den stationären Betriebsmodus geschaltet wird.
Im Folgenden wird eine zweite Ausführungsform der Erfindung erläutert.
9 ist eine erläuternde Darstellung, die den Aufbau eines Elektrofahrzeug 110 gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt. Das Elektrofahrzeug 110 weist eine Leistungsversorgungseinheit 115 auf. Bei dem in 9 gezeigten Elektrofahrzeug 110 sind denselben Komponenten wie in der ersten Ausführungsform 9 dieselben Bezugszeichen zugeordnet, so dass auf eine nochmalige ausführliche Erläuterung dieser Komponenten verzichtet wird. Im Elektrofahrzeug 110 unterscheidet sich die Verbindung zwischen dem Brennstoffzellensystem 22 und der Sekundärbatterie 26 von derjenigen im Elektrofahrzeug 10. Im Elektrofahrzeug 110 ist die Sekundärbatterie 26 direkt mit der Verkabelung 50 verbunden; die Brennstoffzelle 60 ist über den Gleichspannungswandler 28 mit der Verkabelung 50 verbunden.
Auch in dem Elektrofahrzeug 110 werden dieselben Prozesse wie bei der in 5 gezeigten Prozessroutine zur Bestimmung des Betriebsmodus ausgeführt, um den Betriebszustand entsprechend der Lastanforderung und dem Bremszustand zu schalten. 10 ist ein Flussschema, das die Prozessroutine zur Steuerung im stationären Betriebsmodus zeigt, die durch die Steuereinrichtung 48 des Elektrofahrzeugs 110 ausgeführt wird, wenn in der Prozessroutine zur Bestimmung des Betriebsmodus der stationäre Betriebsmodus 0 gewählt wird.
Im Zuge der Ausführung der Routine erhält die Steuereinrichtung 48 von den Strömungsratensensoren 67, 68 Informationen über die Strömungsmengen des Wasserstoffgases und Oxidationsgases (Schritt S400).
Dann wird die elektrische Leistung Pperm, die zu dieser Zeit von der Brennstoffzelle 60 abgegeben werden kann, auf der Grundlage der im Schritt S400 unter Bezugnahme auf die vorgenannte, im ROM der Steuereinrichtung 48 gespeicherte Ausgangsstrom/Ausgangsspannung-Kennlinie gelesene Gasströmungsmenge bestimmt (Schritt S410). Wenn die elektrische Leistung Pperm, die von der Brennstoffzelle 60 abgegeben werden kann, bestimmt ist, wird die Differenz (Preq – Pperm) zwischen der erforderlichen e lektrischen Leistung Preq, die in dem in 5 gezeigten Schritt S120 berechnet wird, und der elektrischen Leistung Pperm, die abgegeben werden kann, berechnet (Schritt S420). Die Prozesse, die in den Schritten S400 bis S420 ausgeführt werden, entsprechen inhaltlichen den Prozessen in den Schritten S200 bis S220 der in 7 gezeigten Prozessroutine zur Steuerung im stationären Betriebsmodus.
Wenn die im Schritt S420 berechnete Differenz (Preq- Pperm) gleich oder größer ist als Null, d. h. wenn die erforderliche elektrische Leistung auf oder über der elektrischen Leistung liegt, die von der Brennstoffzelle 60 abgegeben werden kann, wird die durch den Restkapazitätsmonitor 27 erfasste Restkapazität (SOC) der Sekundärbatterie 26 gelesen (Schritt S430). Dann wird die Ausgangsspannung der Sekundärbatterie 26 auf der Grundlage der gelesenen SOC bestimmt (Schritt S440).
In diesem Fall speichert die Steuereinrichtung 48 neben den Daten bezüglich der Ausgangsstrom/Ausgangsspannung-Kennlinie der Brennstoffzelle 60 im ROM Daten bezüglich der Ausgangsstrom/Ausgangsspannung-Kennlinie der Sekundärbatterie 26. 11 ist eine erläuternde Darstellung, die ein Beispiel für die Daten zeigt, die in der Steuereinrichtung 48 gespeichert sind. Wie es in 11 gezeigt ist, variiert die Ausgangsstrom/Ausgangsspannung-Kennlinie der Sekundärbatterie 26 in Abhängigkeit von der SOC. Wenn die SOC bestimmt ist, wird die Ausgangsstrom/Ausgangsspannung-Kennlinie zu dieser Zeit bestimmt. 11 zeigt, dass die Ausgangsstrom/Ausgangsspannung-Kennlinie auf G1, G2, ..., G5 in SOC-Zunahmerichtung fallen kann. Wenn die SOC im Schritt S430 gelesen wird, liest die Steuereinrichtung 48 die Ausgangsstrom/Ausgangsspannung-Kennlinie entsprechend der SOC aus dem ROM. Im Schritt S440 wird die Ausgangsspannung von der Sekundärbatterie 26 zur Abgabe der elektrischen Leistung entsprechend der im Schritt S420 berechneten Differenz (Preq – Pperm) auf der Grundlage der gelesenen Ausgangsstrom/Ausgangsspannung-Kennlinie bestimmt.
In der Annahme, dass beispielsweise die Kennlinie G3 in 11 als die Ausgangsstrom/Ausgangsspannung-Kennlinie entsprechend der erfassten SOC gelesen wird, berechnet die Steuereinrichtung 48 den Punkt, an dem das Produkt aus der Ausgangsspannung und dem Ausgangsstrom (d. h. die elektrische Ausgangsleistung von der Sekundärbatterie 26) im wesentlichen gleich der Differenz (Preq-Pperm) an der gelesenen Kennlinie G3 wird. In der Annahme, dass dieser Punkt der in 11 gezeigte Punkt Pn ist, wird die Ausgangsspannung Vn von der Sekundärbatterie 26 an dem Punkt Pn als die im Schritt S440 von der Sekundärbatterie 26 geforderte Ausgangsspannung bestimmt.
Anschließend gibt die Steuereinrichtung 48 unter Verwendung der im Schritt S440 eingestellten Ausgangsspannung Vn von der Sekundärbatterie 26 als Befehlswert der Ausgangsseite ein Steuersignal an den Gleichspannungswandler 28 aus, und gibt auf der Grundlage der Lastanforderung das Steuersignal an den Antriebsinverter 30 aus (Schritt 450). Die Spannung der Verkabelung 50 und die Ausgangsspannung von der Sekundärbatterie 26 werden somit Vn; von der Sekundärbatterie 26 wird die elektrische Leistung Pn abgegeben. Zu dieser Zeit wird eine elektrische Leistung Pperm entsprechend der Gasströmungsmenge von der Brennstoffzelle 60 abgegeben, wobei von der gesamten Leistungsversorgungseinheit 115 die erforderliche elektrischen Leistung Preq abgegeben wird (Schritt S460); anschließend endet die Routine.
Wenn die im Schritt S420 berechnete Differenz (Preq-Pperm) kleiner ist als Null, d. h. wenn die elektrische Leistung, die von der Brennstoffzelle 60 abgegeben werden kann, größer ist als die erforderliche elektrische Leistung, wird die durch die Restkapazitätsmonitor 27 erfasste Restkapazität (SOC) der Sekundärbatterie 26 gelesen (Schritt S470). Dann wird bestimmt, ob diese SOC kleiner ist als ein bestimmter Wert (Schritt S480). Der bestimmte Wert, der für die Bestimmung im Schritt S480 verwendet wird, ist ein Wert, der im ROM der Steuereinrichtung 48 als ein Wert zum Bestimmen, ob die Sekundärbatterie 26 geladen werden muß, voreingestellt und gespeichert ist.
Wenn bestimmt wird, dass die SOC kleiner ist als der bestimmte Wert, d. h. wenn bestimmt wird, dass die Sekundärbatterie 26 geladen werden muß, wird die Ausgangsspannung der Sekundärbatterie 26 bestimmt (Schritt S490). Hierzu wird zunächst die Ausgangsstrom/Ausgangsspannung-Kennlinie entsprechend der im Schritt 470 gelesenen SOC aus dem ROM gelesen. Dann wird auf der Grundlage der gelesenen Ausgangsstrom/Ausgangsspannung-Kennlinie die Ausgangsspannung der Sekundärbatterie 26 zum Abgeben der elektrischen Leistung entsprechend der im Schritt S420 berechneten Differenz (Preq-Pperm) unter Verwendung der Sekundärbatterie 26 bestimmt.
In der Annahme, dass beim Lesen der Ausgangsstrom/Ausgangsspannung-Kennlinie, wie auch vorstehend erwähnt, beispielsweise die Kennlinie G3 in 11 als die Ausgangsstrom/Ausgangsspannung-Kennlinie entsprechend der erfassten SOC gelesen wird, berechnet die Steuereinrichtung 48 den Punkt, an dem das Produkt aus der Ausgangsspannung und dem Ausgangsstrom (d. h. dem Ausgangsstrom von der Sekundärbatterie 26) im wesentlichen gleich der Differenz (Preq – Pperm) an der gelesenen Kennlinie G3 wird. In diesem Fall wird, da die Differenz (Preq-Pperm) kleiner ist als Null, der Punkt, an dem die elektrische Ausgangsleistung der Sekundärbatterie 26 negativ wird, d. h. der Punkt, an dem der Ausgangsstrom von der Sekundärbatterie 26 negativ wird, berechnet. In der Annahme, dass dieser Punkt der Punkt Pr in 11 ist, wird im Schritt S440 die Ausgangsspannung Vr von der Sekundärbatterie 26 an dem Punkt Pr als die von der Sekundärbatterie 26 geforderte Ausgangsspannung bestimmt.
Anschließend gibt die Steuereinrichtung 48 unter Verwendung der im Schritt S490 eingestellten Ausgangsspannung Vr von der Sekundärbatterie 26 als Befehlswert der Ausgangsseite das Steuersignal an den Gleichspannungswandler 28 aus, und gibt auf der Grundlage der Lastanforderung das Steuersignal an den Antriebsinverter 30 aus (Schritt S500). Dementsprechend werden die Spannung der Verkabelung 50 und die Ausgangsspannung von der Sekundärbatterie 26 gleich Vn; in der Sekundärbatterie 26 wird elektrische Leistung gespeichert. Dabei ist die elektrische Leistung Pperm entsprechend der Gasströmungsmenge die Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 60; dementsprechend wird die erforderliche elektrische Leistung Preq bereitgestellt und die Sekundärbatterie 26 mit der elektrischen Ausgangsleistung der Brennstoffzelle geladen (Schritt 510); anschließend endet die Routine.
Wenn bestimmt wird, dass die SOC gleich oder größer ist als der bestimmte Wert, d. h. wenn bestimmt wird, dass die Sekundärbatterie 26 nicht geladen werden muß, wird des Weiteren anschließend die Ausgangsspannung der Sekundärbatterie 26 bestimmt (Schritt S520). Auch dabei wird die Ausgangsstrom/Ausgangsspannung-Kennlinie entsprechend der im Schritt S470 gelesenen SOC aus dem ROM gelesen. Dann wird die Ausgangsspannung, die von der Sekundärbatterie 26 gefordert wird, wenn die elektrische Ausgangsleistung von der Sekundärbatterie 26 gleich Null wird, auf der Grundlage der gelesenen Ausgangsstrom/Ausgangsspannung-Kennlinie bestimmt.
In der Annahme, dass beim Lesen der Ausgangsstrom/Ausgangsspannung-Kennlinie beispielsweise die Kennlinie G5 in 11 als die Ausgangsstrom/Ausgangsspannung-Kennlinie entsprechend der erfassten SOC gelesen wird, berechnet die Steuereinrichtung 48 den Punkt, an dem das Produkt aus der Ausgangsspannung und dem Ausgangsstrom (d. h. die elektrische Ausgangsleistung von der Sekundärbatterie 26) an der gelesenen Kennlinie G5, im wesentlichen gleich Null wird. In diesem Fall wird der Punkt, an dem der Ausgangsstrom von der Sekundärbatterie 26 im wesentlichen gleich Null wird, berechnet. In der Annahme, dass dieser Punkt der in 11 gezeigte Punkt Ps ist, wird im Schritt S520 die Ausgangsspannung Vs der Sekundärbatterie 26 an dem Punkt Ps als die durch die Sekundärbatterie 26 geforderte Ausgangssspannung berechnet.
Die Steuereinrichtung 48 gibt anschließend unter Verwendung der im Schritt S520 eingestellten elektrischen Ausgangsleistung Vs von der Sekundärbatterie 26 als Befehlswert der Ausgangsseite das Steuersignal an den Gleichspannungswandler 28 aus, und gibt auf der Grundlage der Lastanforderung das Steuersignal an den Antriebsinverter 30 aus (Schritt S530). Dementsprechend werden die Spannung der Verkabelung 50 und die Ausgangsspannung von der Sekundärbatterie 26 gleich Vs, wobei die Sekundärbatterie 26 weder geladen noch entladen wird. Dabei ist die erforderliche elektrische Leistung Preq die Ausgangsleistung von der Brennstoffzelle 60; der Antriebsmotor 32 verbraucht über den Antriebsinverter 30 die elektrische Leistung entsprechend der Lastanforderung (Schritt S540); anschließend endet die Routine.
In diesem Fall entspricht die der Brennstoffzelle 60 entnommene elektrische Leistung der Lastanforderung und stimmt damit nicht mit der elektrischen Leistung Pperm überein, die erzeugt werden kann, und die auf der Grundlage der Gasströmungsmenge im Schritt S410 berechnet wird. In diesem Fall weicht der Betriebspunkt der Brennstoffzelle 69 von dem Punkt ab, an dem die elektrische Leistungserzeugung in Bezug auf die Gasströmungsmenge maximal wird.
12 ist ein Flussschema, das die Prozessroutine zur Schaltzeitsteuerung im intermittierenden Betriebsmodus zeigt, der in der Steuereinrichtung 48 des Elektrofahrzeugs 110 ausgeführt wird. Die Routine wird in der Steuereinrichtung 48 während der Ausführung derselben Prozesse wie im Rahmen der in 5 gezeigten Prozessroutine zur Bestimmung des Betriebsmodus ausgeführt, wenn im Schritt S140 der intermittierende Betriebsmodus gewählt wird. Bei der Ausführung der Routine werden in den Schritten S600 bis S620 inhaltlich dieselben Prozesse wie in den in 8 gezeigten Schritten S300 bis S320 ausgeführt. D. h. es wird bestimmt, ob der Betriebsmodus aus dem intermittierenden Betriebsmodus in den stationären Betriebsmodus geschaltet wird, wobei dann, wenn der Betriebsmodus geschaltet wird, die Steuerung gemäß der Prozessroutine zur Schaltzeitsteuerung des intermittierenden Betriebsmodus ausgeführt wird, ohne die in 10 gezeigte Prozessroutine zur Steuerung im stationären Betriebsmodus auszuführen. Dann wird die Zeit gemessen, die seit dem Schalten des Betriebsmodus aus dem intermittierenden Betriebsmodus in den stationären Betriebsmodus vergangen ist, und es wird bestimmt, ob die vergangene Zeit T unter der bestimmten Referenzzeit T1 liegt.
Wenn im Schritt S600 bestimmt wird, dass der Betriebsmodus in den stationären Betriebsmodus geschaltet wird, wird, wie vorstehend erwähnt, das Brennstoffzellensystem 22 aktiviert. Dementsprechend werden, wenn die Messung der vergangenen Zeit T beginnt, die Brennstoffgasversorgung 61 und das Gebläse 64 aktiviert, so dass die Gaszufuhr zur Brennstoffzelle 60 beginnt, wobei die Brennstoffzelle 60 mit der Verkabelung 50 verbunden wird. Dabei wird das Steuersignal zu der aktivierten Brennstoffgasversorgung 61 und dem Gebläse 64 in der Weise übertragen, dass die Brennstoffzelle 60 mit der Gasmenge versorgt wird, die notwendig ist, damit die Brennstoffzelle 60 die im Schritt S120 in 5 berechnete, erforderliche elektrische Leistung Preq erzeugt.
Wenn im Schritt S620 bestimmt wird, dass die vergangene Zeit T unter der Referenzzeit T1, liest die Steuereinrichtung 48 die SOC (Schritt S630). Dann wird auf der Grundlage der SOC die Ausgangsspannung der Sekundärbatterie 26 bestimmt (Schritt S640). In diesem Fall wird auf der Grundlage der Ausgangsstrom/Ausgangsspannung-Kennlinie der Sekundärbatterie 26 in derselben Weise wie im Schritt S520 in 10 die Ausgangsspannung der Sekundärbatterie 26 als die Ausgangsspannung Vs bestimmt, bei der der Ausgangsstrom von der Sekundärbatterie 26 im wesentlichen gleich Null wird.
Anschließend wird in derselben Weise wie im Schritt S530 in 10 unter Verwendung der Ausgangsspannung Vs der Sekundärbatterie 26 als Befehlswert der Ausgangsseite das Steuersignal an den Gleichspannungswandler 28 ausgegeben, und auf der Grundlage der Lastanforderung wird das Steuersignal an den Antriebsinverter 30 ausgegeben (Schritt S650). Dementsprechend gibt die Brennstoffzelle 60 ungeachtet der Gasströmungsmenge eine elektrische Leistung entsprechend der erforderlichen elektrischen Lei stung Preq ab. Die Prozesse in den Schritten S630 bis S660 sind Prozesse, in denen dieselben Operationen wie im Schritt S470 und in den Schritten S520 bis S540 in 10 ausgeführt werden.
Dann geht der Prozess zum Schritt S620 zurück, in dem die vergangene Zeit T mit der Referenzzeit T1 verglichen wird. Nach dem Schalten des Betriebsmodus aus dem intermittierenden Betriebsmodus in den stationären Betriebsmodus wird die Steuerung so ausgeführt, dass die Brennstoffzelle 60 bis zum Ablauf der bestimmten Zeit eine elektrische Leistung entsprechend der erforderlichen elektrischen Leistung Preq erzeugt, ohne die Strömungsmenge des der Brennstoffzelle zugeführten Gases zu berücksichtigen.
Wenn im Schritt S620 bestimmt wird, dass die vergangene Zeit T größer ist als die Referenzzeit T1, geht der Prozess zu der in 10 gezeigten Prozessroutine zur Steuerung im stationären Betriebsmodus (Schritt S670); anschließend endet die Routine. Dadurch dass der Prozess zur Prozessroutine zur Steuerung im stationären Betriebsmodus geht, wird anschließend der normale Betrieb ausgeführt, in dem die Strömungsmenge des der Brennstoffzelle 60 zugeführten Gases berücksichtigt wird.
Unter Verwendung der Leistungsversorgungseinheit gemäß der Ausführungsform, die wie vorstehend erwähnt konfiguriert ist, wie auch der ersten Ausführungsform kann, wenn der Betriebsmodus aus dem intermittierenden Betriebsmodus in den stationären Betriebsmodus geschaltet wird, eine Antriebskraft entsprechend der Lastanforderung gewährleistet werden. D. h. dass unter Verwendung der Brennstoffzelle 60 in dem Elektrofahrzeug 10, wenn der Betriebsmodus in den stationären Betriebsmodus geschaltet wird, eine Beschleunigung entsprechend der Gaspedalstel lung ausgeführt werden kann. Dabei wird unter Verwendung des in der Wasserstoffgasversorgungsleitung 62 und der Oxidationsgasversorgungsleitung 65 der Brennstoffzelle 60 verbliebenen Gases eine elektrische Leistung entsprechend der erforderlichen elektrischen Leistung Preq erzeugt. Wenngleich eine Steuerung ausgeführt wird, bei der die Gasströmungsmenge nicht berücksichtigt, wird die dem Antriebsinverter 30 zugeführte elektrische Leistung dadurch sichergestellt, dass die Sekundärbatterie 26 ungeachtet der Restkapazität der Sekundärbatterie 26 nicht geladen wird.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die vorstehend erläuterten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern verschiedartig ausgeführt werden kann, ohne von dem in den Ansprüchen definierten Grundgedanken der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise sind folgende Abwandlungen möglich:
In den Ausführungsformen wird die Strömungsmenge des der Brennstoffzelle 60 zugeführten Gases auf der Grundlage des durch die Strömungsratensensoren 67, 68 erfassten Ergebnisses bestimmt. Jedoch kann auch eine andere Struktur verwendet werden, sofern die Strömungsmenge des der Brennstoffzelle 60 zugeführten Gases auf der Grundlage eines Werts bestimmt wird, der die Gasströmungsmenge reflektiert. Beispielsweise kann anstelle einer direkten Erfassung der Strömungsmenge des Oxidationsgases die Gasströmungsmenge durch Ablesen der Drehzahl des Gebläses 64 bestimmt werden.
In den vorstehenden Ausführungsformen wird Wasserstoffgas als das Brennstoffgas verwendet, das der Anodenseite der Brennstoffzelle 60 zugeführt wird. Jedoch kann auch Spaltgas verwendet werden. In diesem Fall wird die erzeugte Spaltgasmenge in Abhängigkeit von der von der Brennstoffzelle 60 geforderten elektrischen Leistungserzeugung eingestellt. Dann kann durch Anwendung der Erfindung, bevor die Spaltgaserzeugung sich in einem stationären Zustand befindet, während des Schaltens des Betriebsmodus aus dem intermittierenden Betriebsmodus in den stationären Betriebsmodus eine Abnahme der Leistung, die in Bezug auf die Lastanforderung bei der Schaltzeit erhalten werden kann, unterdrückt werden.
Des Weiteren wird in der Ausführungsform, das Steuerungsverfahren der Erfindung, bei dem die Gasströmungsmenge unberücksichtigt bleibt, ausgeführt, wenn der Betriebsmodus aus dem intermittierenden Betriebsmodus in den stationären Betriebsmodus geschaltet wird. Jedoch kann das Steuerungsverfahren auch in einem anderen Zustand angewendet werden, sofern das Brennstoffzellensystem aktiviert wird. In dem Fall, in dem Gas in der Leitung verbleibt, wenn der Betrieb der Brennstoffzellensystem gestoppt wird, kann dieselbe Steuerung ausgeführt werden.

Claims

Steuerungsverfahren für ein Leistungsversorgungssystem, in dem eine Brennstoffzelle (60) und eine Batterie (26) durch eine Leistungsversorgungsverkabelung (50) parallel mit einer externen Last (32, 40) verbunden sind, mit den folgenden Schritten: Aktivieren der Brennstoffzelle (60), Erhalt einer Lastanforderung und Berechnung sowie Anzeige der der Lastanforderung entsprechenden, vom Leistungsversorgungssystem (15; 115) an die Last (32, 40) zu liefernden elektrischen Energie, gekennzeichnet durch folgende Schritte: Abfrage der seit der letzten Aktivierung der Brennstoffzelle (60) vergangenen Zeit und Vergleich dieser Zeit mit einer bestimmten Referenzzeit, Abfrage der der Brennstoffzelle (60) tatsächlichen zugeführten Brennstoffmenge, Einstellen der von der Brennstoffzelle (60) abzugebenden Soll-Leistung unabhängig von der Brennstoffmenge, wenn die seit der letzten Brennstoffzellenaktivierung vergangene Zeit kleiner oder gleich der Referenzzeit ist, oder Einstellen der von der Brennstoffzelle (60) abzugebenden Soll-Leistung in Abhängigkeit von der der Brennstoffzelle (60) tatsächlich zugeführten Brennstoffmenge, wenn bestimmt wird, dass die seit der letzten Brennstoffzellenaktivierung vergangene Zeit größer als die Referenzzeit ist.
Steuerungsverfahren für ein Leistungsversorgungssystem nach Anspruch 1, wobei der Betriebsmodues des Leistungsversorgungssystems (15; 115) zwischen einem ersten Betriebsmodus, in dem der Betrieb der Brennstoffzelle (60) gestoppt und die Last durch die Batterie (26) mit elektrischer Leistung versorgt wird, und einen zweiten Betriebsmodus, in dem elektrische Leistung unter Verwendung der Brennstoffzelle (60) erzeugt wird, geschaltet werden kann, gekennzeichnet durch den Schritt: Fortsetzen des Betriebs des Leistungsversorgungssystems (15; 115) während des Schaltens des Betriebsmodus zwischen dem ersten Betriebsmodus und dem zweiten Betriebsmodus in Abhängigkeit von der Lastanforderung, wobei die Brennstoffzelle (60) aktiviert wird, wenn der Betriebsmodus aus dem ersten Betriebsmodus in den zweiten Betriebsmodus geschaltet wird.
Leistungsversorgungssystem, in dem eine Brennstoffzelle (60) und eine Batterie (26) durch eine Leistungsversorgungsverkabelung (50) über einen mit der Energieversorgungsverkabelung (50) verbundenen Inverter (30), der von der Brennstoffzelle (60) und/oder der Sekundärbatterie (26) abgegebene elektrische Leistung an eine externe Last (32, 40) abgibt, parallel mit der Last (32, 40) verbunden sind, mit: einer Einrichtung (S110) zum Erhalt einer Lastanforderung und Berechnung sowie Anzeige der der Lastanforderung entsprechenden, vom Leistungsversorgungssystem (15; 115) an die Last (32, 40) zu liefernden elektrischen Energie, einer Einrichtung (S310, S320; S610, S630) zum Abfragen der seit der letzten Aktivierung der Brennstoffzelle (60) vergangenen Zeit und Vergleichen dieser Zeit mit einer bestimmten Referenzzeit, eine Einrichtung (67, S200; S400) zum Abfragen der der Brennstoffzelle (60) tatsächlich zugeführten Brennstoffmenge, und einer Steuereinrichtung (S270, S350) zum Steuern der Brennstoffzelle (60) so, dass die Brennstoffzelle (60) eine Soll-Leistung abgibt, gekennzeichnet durch: einer Soll-Leistungseinstelleinrichtung (S330, S360), die die von der Brennstoffzelle (60) abzugebende Soll-Leistung unabhängig von der Brennstoffmenge einstellt, wenn die seit der letzten Brennstoffzellenaktivierung vergangene Zeit kleiner oder gleich einer bestimmten Referenzzeit ist, oder die von der Brennstoffzelle (60) abzugebende Soll-Leistung in Abhängigkeit von der der Brennstoffzelle (60) tatsächlich zugeführten Brennstoffmenge einstellt, wenn die seit der letzten Brennstoffzellenaktivierung vergangene Zeit größer als die Referenzzeit ist.
Leistungsversorgungssystem nach Anspruch 3, mit: einer Einrichtung (S130) zum Schalten des Betriebsmodus des Leistungsversorgungssystems (15; 115) zwischen einem ersten Betriebsmodus, in dem der Betrieb der Brennstoffzelle (60) gestoppt und die Last durch die Batterie (26) mit elektrischer Leistung versorgt wird, und einem zweiten Betriebsmodus, in dem elektrische Leistung unter Verwendung der Brennstoffzelle (60) erzeugt wird, in Abhängigkeit von der Lastanforderung.
Leistungsversorgungssystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Batterie (26) eine mit der Leistungsversorgungsverkabelung (50) über einen Gleichspannungswandler (28) verbundene Sekundärbatterie ist und die Steuereinrichtung (S350) so konfiguriert ist, dass sie eine Ausgangsspannung, bei der die Brennstoffzelle (60) die eingestellte Soll-Leistung abgibt, als eine Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers (28) einstellt.
Leistungsversorgungssystem nach Anspruch 3 oder 4, mit: einem Gleichspannungswandler (28) zum Spannungswandeln, wenn die von der Brennstoffzelle (60) abgegebene elektrische Leistung auf die Leistungsversorgungsverkabelung (50) übertragen wird, wobei die Batterie (26) eine Sekundärbatterie ist und die Steuereinrichtung (S350) so konfiguriert ist, dass sie eine Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers (28) so einstellt, dass eine Spannung an der Leistungsversorgungsverkabelung (50) gleich einer Spannung wird, bei der die Sekundärbatterie (26) weder geladen noch entladen wird, wenn die seit der letzten Brennstoffzellenaktivierung vergangene Zeit kleiner oder gleich der bestimmten Referenzzeit ist.
Leistungsversorgungssystem nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Steuereinrichtung (S350) so konfiguriert ist, dass sie den Inverter (30) so ansteuert, dass die Last eine elektrische Leistung entsprechend der Lastanforderung verbraucht, wenn die seit der letzten Brennstoffzellenaktivierung vergangene Zeit kleiner oder gleich der bestimmten Zeit ist.