JP2013504988A - 燃料電池システムのコールドスタート方法及び自動車の燃料電池システム - Google Patents

Abstract

自動車の燃料電池システムのコールドスタート方法では、自動車の作動可能状態を促進しなければならない。このことは、加熱段階及び／又は暖機段階における燃料電池システムの出力の特定量が受電手段によって受け取られ、その受電された出力量が、電気モータ（６、８）の少なくとも１つの通電コイルに適切な電流が印加されることにより損失出力に変換されることによって解決される。さらに、本発明は、対応する自動車の燃料電池システムに関する。
【選択図】図３

Description

本発明は、特に凍結点を下回る温度における自動車の燃料電池システムのコールドスタート方法に関し、請求項１の前提部分に基づいて、少なくとも１つの加熱段階と１つの暖機段階とを含んでいる。さらに、本発明は、請求項１０の前提部分に基づく自動車の燃料電池システムに関する。

特に凍結点を下回る低温状態において、作動温度より低い、冷たい燃料電池システムをスタートさせることは、燃料電池車両における周知の課題である。

燃料電池車両の場合は、イグニッション作動後に、走行許可がコントロールユニットによって与えられて初めて発進することができる。しかし、この走行許可は、燃料電池システムが十分な作動温度まで加熱されないと与えられない。

できる限り効率的なコールドスタートを可能にするため、特許文献１では、コールドスタート検知装置と、燃料電池スタックに接続可能な負荷とを備える燃料電池システムが提案されている。それによれば、燃料電池スタックのコールドスタート状態の検知反応として、接続されている負荷が１回又は複数回の負荷段階によって変更可能であるように、制御装置が形成されている。この負荷段階は、車両のダイナミックモードでの走行許可後、又は加熱段階中の走行許可前に行うことができる。この加熱段階は、例えば１２０秒間継続する。

しかしながら、特に、例えば自動車のように移動しながらの使用では、燃料電池スタックに接続可能な負荷の数が制限されており、電気補機は、作動限界の理由から、制限された状態で受電回路として使用することができる。

国際公開第２００８／１４８４４５号パンフレット

本発明は、自動車が作動可能状態になることを促進する解決方法を提供するという課題に基づいている。

本発明に基づき、請求項１による方法に関する課題は、加熱段階及び／又は暖機段階における燃料電池システムの出力の特定量が受電手段によって受け取られ、その受電された出力量を、電気モータの少なくとも１つの通電コイルに適切な電流を印加することにより損失出力に変換することによって解決される。

燃料電池システムの出力は、燃料電池システム及び／又は燃料電池自動車を作動するために必要な電気的な補機の受電を除いて、燃料電池スタックの電力として定義される。電気的補機は、例えば、燃料電池システムの１つ又は複数の補助ドライブ、ＨＶ補助ヒータ、必要に応じて少なくとも１つの低電圧バッテリ回路付き低電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ、及び室内エアヒータ又は車両照明などの低電圧補機である。

このような方法により、燃料電池車両の中にすでに存在する構成部品（受電手段）の制御と、同じくすでに存在するもう１つの構成部品（電気モータの少なくとも１つの相巻線）に印加された電流の変換とにより、加熱段階及び／又は暖機段階において非常に望ましい燃料電池スタックの大電流が可能となる。有利には、本発明の方法の実施が、本方法を適用している現在の作動段階の継続時間を大幅に短縮するため、この作動段階の後に続く作動段階が早期に初期化可能となる。本発明に基づく方法がすでに加熱段階の間に使用される場合、次の暖機段階の開始を大幅に早めることができる。この（暖機段階の）作動時には、走行許可信号が制御装置のアルゴリズムによって与えられるため、運転者は、制限下においてすでに発進することができる。

この場合、例えば、トラクションモータの出力要求が、低負荷モード又はアイドリングモードの間に、トラクションモータの駆動力が受電可能であるよりも大きい燃料電池システムの出力が使用可能であることのインジケータとなる特定の値を下回った場合、燃料電池スタックに最大の負荷をかけるため、暖機段階において本発明に基づく方法を使用することは重要である。このことにより、暖機段階を早期に終了することができるため、車両はより早く完全に作動可能な状態になる。

しかしながら、受電された出力量が損失出力に変換されるため、本発明に基づく方法の使用は、エネルギー効率の低下を伴う。受電された出力量は損失出力に変換されるため、電気モータの有効電力に実質的に全く貢献しないが、コールドスタート又はこの方法が使用される作動段階の継続時間は明らかに短縮される。

本発明に基づく方法の有利な実施形態は、従属請求項に示されている。

好ましくは、受電手段として整流器（ＤＣ／ＡＣコンバータ）が使用されるが、それは、この整流器が多数のハーフブリッジを有するからであり、これらのハーフブリッジは、受電された燃料電池システムの出力量を、電気モータの１つ又は複数の相巻線に損失出力として変換することを可能にする方法で制御可能である。

本発明の実施形態では、暖機段階において、燃料電池システムの出力に応じて走行許可信号が与えられる。有利には、走行許可信号を与える作動点は、例えば堅牢性、加速性能および燃料電池システムの寿命といった車両目標のコンセンサスとして探し出すことができる。好ましくは、走行許可が、燃料電池システムの出力の５０％未満が使用可能である場合に与えられ、特に好ましくは出力の２０％が使用可能である場合に与えられる。２０％の出力がある場合に走行許可が与えられる、特に好ましい実施形態を使用する場合、車両のサイズに応じて、加熱段階後から１５秒かからない内に早くも暖機段階を開始することができる。

本発明に基づく方法の代替の実施形態では、暖機段階での走行許可信号が、燃料電池スタックとエネルギーアキュムレータとから入手可能な全出力に応じて与えられる。この全出力は、燃料電池システム及び／又は燃料電池スタックを作動するために必要な電気的補機の受電を除いて、燃料電池スタックの使用可能な出力とエネルギーアキュムレータの使用可能な出力との加算から生じる。従って、有利には、コールドスタート時には、燃料電池スタックの性能だけではなく、エネルギーアキュムレータの性能も考慮される。これは、低温におけるエネルギーアキュムレータの選択に応じて非常に制限されることがある。有利には、暖機段階における走行許可が、全出力の５０％未満が使用可能である場合に与えられ、特に好ましくは全出力の２０％が使用可能である場合に与えられる。

本発明の発展形態においては、燃料電池スタックの冷却回路内の温度が引き上げられる、及び／又は特にコールドスタートの経過後に燃料電池スタックを次のスタートのために乾燥させるため、供給ガスの入力湿度が、好ましくはカソード側で、燃料電池スタックのために下げられるように設定されている。

好ましくは、本発明に基づく方法の実施形態において、燃料電池スタック及び／又はエネルギーアキュムレータが、加熱段階及び／又は暖機段階の間、その受電に関して可変的な少なくとも１つの電気補機によって定期的に負荷をかけられるため、燃料電池スタック及び／又はエネルギーアキュムレータは、第２の時間間隔におけるよりも第１の時間間隔においてより大きな出力を発生する。このことにより、燃料電池の種類及び／又はエネルギーアキュムレータの種類に応じて、燃料電池スタック及び／又はエネルギーアキュムレータを早期に作動可能状態にすることができる。

さらに、好ましくは、燃料電池の種類として、その他の燃料電池の種類と比較して作動温度が低いという理由から、ポリマー電解質膜燃料電池が使用される。エネルギーアキュムレータは、例えば、リチウムイオン電池又はニッケル水素電池として形成されている。リチウムイオン電池は、その他の電気化学的エネルギーアキュムレータに対して、エネルギー含量が比較的高いという利点がある。従来技術に従って、ニッケル水素電池は、リチウムイオン電池に比べて値段が安いという利点がある。

特に好ましくは、燃料電池スタック及び／又はエネルギーアキュムレータが第２の時間間隔において０ｋＷの出力を発生するように、加熱段階及び／又は暖機段階における燃料電池スタック及び／又はバッテリの出力を調整するように設定されている。無電状態と出力電流とが交互に作動することから生じる温度変動により、燃料電池スタック及び／又はエネルギーアキュムレータをさらに早期に作動可能状態にすることができる。

代替の実施形態においては、燃料電池スタックも、エネルギーアキュムレータも、その受電に関して可変的な少なくとも１つの電気補機によって定期的に負荷をかけられるため、燃料電池スタックは、第２の時間間隔におけるよりも第１の時間間隔においてより大きな出力を発生し、エネルギーアキュムレータは、第２の時間間隔におけるよりも第１の時間間隔においてより低い出力を発生する。有利には、燃料電池スタックが第２の時間間隔において０ｋＷの出力を発生し、エネルギーアキュムレータは第１の時間間隔において０ｋＷの出力を発生する。従って、出力割合が時間によって交互に変更されることにより、燃料電池スタックについても、エネルギーアキュムレータについても、より早い加熱特性を達成することができ、このことは、システム全体の堅牢性および車両利用可能性を向上させる。

請求項１０に従って燃料電池システムに向けられている課題は、請求項１０の特徴とする部分によって解決される。有利な実施形態は、従属請求項から生じる。

本発明に基づく燃料電池システムは、中間回路と導電性に接続可能であり、この中間回路は、整流器によって電気モータと導電性に接続可能である。

好ましくは、この電気モータがトラクションモータとして形成されている。このトラクションモータは、その定格出力に応じて、補助ドライブに比べ燃料電池スタックの出力の大部分を損失出力に変換することができる。代替の方法では、電気モータが、例えばエアコンプレッサ、アノード再循環ブロワ又はウォータポンプなどの補助ドライブとして形成されている。

本発明のもう１つの実施形態では、中間回路が、少なくとも１つの整流器によって電気モータと導電性に接続可能である。好ましくは、それぞれもう１つの電気モータに対してそれぞれもう１つの整流器が提供され、それぞれもう１つの電気モータにはそれぞれもう１つの整流器が割り当てられている。さらに、中間回路は、その他の追加の電気機械と導電性に接続可能であり得る。燃料電池システムのもう１つの出力量を受電し、その受電されたもう１つの出力量を、少なくとももう１つの電気モータの少なくとももう１つの通電コイルに適切な電流を印加することにより損失出力に変換する少なくとももう１つの整流器を制御するため、制御装置が設けられている。この実施形態において、好ましくは、電気モータがトラクションモータとして形成されており、少なくとももう１つの電気モータが燃料
電池システムの補助ドライブとして形成されている。すでに説明したように、トラクションモータは通常、補助ドライブと比較して、燃料電池スタックの出力の大部分を損失出力に変換することができる。しかし、燃料電池車両においては、通常、補助ドライブの数が、取り付けられているトラクションモータの数を上回っている。従って、追加的に、補助ドライブにおいても出力を損失出力に変換することができる場合は、同様に有利である。

本発明の発展形態においては、エネルギーアキュムレータが、第１のＤＣ／ＤＣコンバータによって中間回路と導電性に接続可能であるため、中間回路の電圧を、エネルギーアキュムレータの電圧レベルとはほぼ無関係に制御することができる。

好ましくは、この第１のＤＣ／ＤＣコンバータが双方向に作動可能であり、このことによって、電流は、エネルギーアキュムレータから中間回路へも、中間回路からエネルギーアキュムレータへも流れることができる。従って、例えば、動的な制動エネルギーを回収するための回復プロセス又は燃料電池スタックによるエネルギーアキュムレータの充電も行われる。

特に好ましくは、第１の（双方向に作動可能な）ＤＣ／ＤＣコンバータが、バック／ブースト複合コンバータとして形成されている。有利には、第１のＤＣ／ＤＣコンバータが、加熱段階及び／又は暖機段階において、できる限り低い中間回路電圧、特に２００ボルトより低い電圧に調整可能である。燃料電池スタックは、中間回路に電気的に直接連結されているので、中間回路電圧を低く設定することは、燃料電池スタックの電圧の低下につながり、このことが効率の悪化を引き起こし、結果的に燃料電池スタック内でダイレクトな高い熱変換が生じる。この熱入力が大きければ大きいほど、中間回路電圧は低くなる。

代替の実施形態においては、第１のＤＣ／ＤＣコンバータが、バッテリと中間回路との間に配置されている。さらに、特にブーストコンバータ又はバック／ブースト複合コンバータとして形成されている第２のＤＣ／ＤＣコンバータが、中間回路と燃料電池スタックとの間に配置されている。第２のＤＣ／ＤＣコンバータは、加熱段階及び／又は暖機段階において、できる限り低い燃料電池スタック電圧、好ましくは７５ボルトより低い電圧に調整するように設けられている。代替の実施形態によって、１つだけの（第１の）ＤＣ／ＤＣコンバータを備える特に好ましいバリエーションに対して、この代替の実施形態（第２のＤＣ／ＤＣコンバータを備える）では、燃料電池スタック電圧がかなり低く設定され、このことは加熱段階及び／又は暖機段階においては望ましいことである。しかし、特に好ましいバリエーションの方は、第２のＤＣ／ＤＣコンバータが節約されるため、低コストという利点を有している。

発明のその他の有利な実施形態を、以下の実施例において図を用いて例を示しながら説明する。

本発明に基づく燃料電池システムのコールドスタート方法の経過を示す。 トラクションモータのトルク−回転数特性曲線である。 本発明に基づく燃料電池システムを備える駆動系のブロック図である。

図１は、燃料電池車両のための本発明に基づく燃料電池システムのコールドスタート方法の実施例を示した経過図である。この場合、１列目には、呼び出すことのできるそれぞれの手順が示されている。２列目には、それぞれの手順に属する作動段階が示され、３列目には説明が表示されている。それぞれの作動段階の好ましい持続時間は、４列目に示されている。

コールドスタートは、ここでは、暖機状態ではない冷たい燃料電池車両のスタートを表し、燃料電池スタック１の温度は作動温度を下回っており、特に０℃よりも低く、例えば−２５℃などである。

十分に信頼性のある、安定した、再現可能なコールドスタートを確実なものにするため、連続して行われる少なくとも３つの作動段階が設定されているコールドスタート手順を設けることができる。

第１の作動段階（以下、簡単に初期段階と呼ぶ）では、燃料電池システムがオンになり、媒体（水素／酸素）の配合が行われる。

この初期段階の後を追って、すなわち、初期段階の後にコールドスタートプロセスが行われ、これには、コールドスタートの残りの２つの作動段階（第２と第３の作動段階）を割り当てることができる。

第２の作動段階（以下、簡単に加熱段階と呼ぶ）では、燃料電池スタック１が可能な限り低い電圧で作動するようになっており、このことにより効率が比較的低くなり、結果的にダイレクトな高い熱変換が燃料電池スタック１内に生じることから、加熱段階は顕著に短縮される。発生する電力は、燃料電池スタック１から取り出され、第２の作動状態の間、受電回路としての機能を果たす電気補機３、４、７、８に供給される。

この実施例においては、以下のような制限をもつ、以下の受電回路がある：
１．ＨＶバッテリ４：
ＨＶバッテリ４は、低温において僅かな出力しか受電することができないため、短時間後に受電回路として使用することはできない。
２．燃料電池システムの複数の補助ドライブ８（例：エアコンプレッサ及び再循環ブロワの駆動モータ）：
燃料電池システムの補助ドライブ８を受電回路として使用することは無制限ではなく、車 両の作動状態の現在の必要性に左右される。
３．ＨＶ補助ヒータ：
ＨＶ補助ヒータは、多量の出力を受電することもできないし、無制限に使用することもできない。
４．例えば車室エアヒータなどの電気補機を備える電気１２ボルトバッテリ回路：
バッテリ回路の受電は、バッテリ回路に割り当てられている補機の出力要求又はバッテリ回路に割り当てられている低電圧バッテリの充電状態に左右される。バッテリ回路の電気補機の１つは、フロントウインドウの凍結防止を確保する電気車室エアヒータなどである。電気車室エアヒータは、受電回路として使用することもできる。しかし、これは、当然のことながら、運転者によって適当な時期にオフにされる。

従って、燃料電池スタックの受電回路の数は制限されており、電気補機３、４、７、８は、説明された作動限界の理由から、無制限に受電回路として使用することもできない。このことから、少なくとも１つの電気モータ６、８は、追加的に、出力を損失出力に変換できるように制御される。電気モータ６、８の制御は、この場合、以下に短く説明する周知の磁場配向原理に基づくことができる。この周知の原理では、少なくとも２つの相電流を測定する必要がある。第３の相電流は、スター接続の場合、測定された両方の相電流から特定可能である。これらの３つの相電流は、例えば回転子磁束位置で回転する直交座標系（回転子座標系）に変換される電流空間ベクトルを形成する。このためには、現在の回転子磁束位置を検出することが必要であり、この位置は、前述の変換のために角度として適切に提供されなければならない。従って、２つの固定した一定の大きさ、すなわち磁束方向への大きさと磁束方向に対して直交する大きさが得られる。これらの２つの大きさは、それぞれ適合するレギュレータ、例えばＰＩレギュレータによって調整可能である。この場合、磁束を形成する大きさとトルクを形成する大きさとを規定値として設定することができる。磁束を形成する値は磁束形成電流であり、トルクを形成する値はトルク形成電流である。レギュレータのアウトプット値は、電圧空間ベクトルの大きさである。これは、整流器を制御するために、回転子磁束位置角を用いた逆変換によって固定子座標系に変換することができる。

つまり、この周知の原理では、磁束形成の大きさとトルク形成の大きさとが切り離されている。従って、磁束形成電流はトルク形成電流とは無関係に制御可能である。この周知の原理の場合、通常、効率上昇のために磁束形成電流をできる限り最小化する制御戦略が選択される。

しかし、本発明に基づき、できる限り高い燃料電池システムの出力量を受電できるようにするため、磁束形成電流は、加熱段階において、及び必要に応じて暖機段階においても（後で説明される）、最大化されるべきである。受電された燃料電池システムの出力量は電気モータに供給され、トルクにではなく損失出力に変換される。従って、前述のこの機能を、以下に損失出力機能と呼ぶ。この機能によって、燃料電池スタック１により高い負荷をかけることができるようになり、作動可能状態がより迅速に達成可能となる。損失出力機能は、好ましくは電気トラクションモータ６において適用されるが、これに限定されることなく、例えば燃料電池システムの補助ドライブ８など、車両にあるその他の電気モータ６、８にも適用可能である。そのためには、それぞれの補助ドライブ８の整流器を制御することが必要である。

すでに説明した損失出力機能を図示するために、好ましくは永久磁石同期機として形成されているトラクションモータ６のトルク−回転数特性曲線が図２に示されている。縦軸（ｙ）はトルクを示し、横軸（ｘ）はトラクションモータの回転数範囲を示している。これに沿って、電気トラクションモータ６は、特定の状況において、実質的にトルク発生には貢献しない電流を、整流器の適切な制御によって、モータのコイルに印加することができる。

そのために、必要に応じて、例えば燃料電池システムの出力量が受電手段（整流器）によって受電可能であるかどうか検出する手順を設けることができる。このことは、現在の作動状態において、燃料電池システムのどれくらいの出力量が受電手段により受電可能であり、電気モータにおいて損失出力に変換可能であるかを検出するケースに該当する。出力量を受電するため、及びそれを電気モータ６、８の少なくとも１つの相巻線において損失出力に変換するために、検出された値に沿って磁束形成電流の規定値が引き上げられ、整流器が制御される。すなわち、瞬間の負荷要求に必要であるよりも高い磁束形成電流が制御される。

従って、整流器の適切な制御により燃料電池システムの出力の少なくとも一部が受電され、その受電された出力部分が損失出力に変換されるようにすることができる。この受電により、追加のトルクは発生しない。

損失出力機能が使用できるかどうかは、少なくともトラクションモータ６の回転数又はトルクに依存している。この損失出力機能は、特定のトルクと回転数との組合せのために、トルク−回転数特性曲線の第１の四辺形（正のトルクと正の回転数におけるモータ駆動による作動）においてアクティブ１０にすることができる。アクティブな部分１０では、磁束形成電流が相応に引き上げられ得る。加熱段階及び／又は暖機段階の間、アクティブな部分１０では、現在の負荷要求に必要であるよりも高い磁束形成電流が印加されることになっている。その他の部分１１では、損失出力機能はアクティブにならない。受電の範囲は、少なくとも温度に依存している。

さらに、図１に関して、燃料電池スタック１の性能が向上する加熱段階の持続時間が増加すると、電気補機３、４、６、７、８は、損失出力機能が適用されていても、燃料電池スタック１が提供できるよりも少ない電気エネルギーを受電し得る可能性があり、このことは、加熱段階の不必要な延長を意味するものと思われる。

従って、第３の作動状態（以下、暖機段階と呼ぶ）においては、燃料電池システムの使用可能な出力が低いときに、早期に走行許可が与えられるべきである。燃料電池システムの出力は、燃料電池システム及び／又は燃料電池自動車を作動するために必要な電気的な補機７、８の受電を除いて、燃料電池スタック１の電力として定義される。電気的補機７、８は、例えば、燃料電池システムの補助ドライブ８、ＨＶ補助ヒータ、必要に応じて低電圧バッテリ回路付き低電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ７、及び室内エアヒータ又は車両照明などの低電圧補機である。代替の方法として、燃料電池スタック１とエネルギーアキュムレータ４とを合わせた使用可能な全出力が低いときに、早期に走行許可を与えるように設定することができる。

明確には、燃料電池スタック１の出力の半分が使用可能になる前に走行許可が与えられるべきである。このことにより、燃料電池スタック１の出力は早期に効果的に利用可能となり、それは、走行許可時点以降は、この出力が電気的駆動力としてトラクションモータ６に供給可能になるからである。出力の約２０％が使用可能である場合、走行許可が、特に効果的に与えられる。

有利には、トラクションモータ６は、その他の電気補機３、４、７、８に比べ、電気駆動系において、該当する要求がある場合、ほとんどの出力を駆動力の形で受電することができる。このことにより、この作動状態においては極めて望ましい、効果的な燃料電池スタック１の加熱が追加的に行われ、それは、前述した受電回路の不十分な受電性能を簡単な方法で解消できるからである。むしろ、燃料電池スタック１の出力は、これが最終的にはトルクに変換可能であるため、駆動のために効率的に利用することができる。

第３の作動状態は、主として、トラクションモータ６の現在の出力要求に依存している。この出力要求は、例えば少なくともアクセルペダルの位置に応じて決定することができる。様々な出力要求は、例えば出力の高い順から次の４つの等級に分類することができる。すなわち、高負荷モード、ノーマルモード、低負荷モード、アイドリングモードである。

トラクションモータ６の出力要求に応じて、第３の作動状態においては、２つの作動モード（第１及び第２の作動モード）に区別される。

第１の作動モードにおいて、すなわち高負荷モード又はノーマルモードの場合、提供される出力は、できる限り完全に電気トラクションモータ６によって要求され、トルクに変換されなければならない。

出力がまだ少なすぎる場合は、望ましい駆動力を提供するため、作動可能状態と高電圧バッテリ４の充電状態とが適切である場合、追加的に電気エネルギーを高電圧バッテリ４から取り出して、電気トラクションモータ６に供給するように設定することができる。

代替の方法として、出力要求も、例えば、そのために適合する反復法を用いて相応に減少させることができる。この作動モードで使用されているトルクは、少なくとも、適切な走行を確実なものにするのに十分である。

第２の作動モードは、トラクションモータ６の出力要求が、低負荷モード又はアイドリングモードの間に特定の値を下回った場合に適用され、このことは、トラクションモータ６の駆動力が受電可能であるよりも大きな燃料電池システムの出力が使用可能であることを意味している。

使用可能な出力とトラクションモータ６の出力要求との差は、以下に、使用可能な余剰出力として定義される。使用可能な余剰出力は、第２の作動モードにおいて、使用できる度合いに応じて、前述の受電回路３、４、７、８に供給されなければならない。さらに、トラクションモータ６及び補助ドライブ８などの電気モータ６、８は、前述した損失出力機能を利用するようになっている。電気モータ６、８は、少なくとも１つのモータのコイルに適切な磁化電流を印加することによって、余剰出力の少なくとも一部を損失出力に変換することができる。

本発明の発展形態においては、特にコールドスタートの経過後に燃料電池スタック１を次のスタートのために乾燥させるため、いわゆる乾燥処理において、燃料電池スタック１の冷却回路内の温度が引き上げられる、及び／又は燃料電池１の供給ガスの入力湿度が下げられるように設定されている。

本発明に基づく方法は、その実施形態及び発展形態とともに、すでに図１及び２を用いて説明された。本方法は、好ましくは、図３に図示されている駆動系を備える自動車で用いられる。そのために、少なくとも１つの制御装置において該当する制御アルゴリズムを組み込むか、又は既存の制御アルゴリズムを補うことが必要である。

図３による実施例では、その中心に、自動車の本発明に基づく燃料電池システムを備える駆動系が示されている。図３の右上には、燃料電池スタック１の温度依存Ｕ−Ｉ特性曲線群の例が示されている。

本発明に基づく燃料電池システムは、電気中間回路２のための直流電流を提供する燃料電池スタック１を含んでいる。さらに、バッテリ４は、第１の双方向性ＤＣ／ＤＣコンバータ３を介して中間回路２と導電性に接続可能である。第１のＤＣ／ＤＣコンバータ３は、ブースト／バックコンバータとして形成されている。さらに、中間回路２には、駆動モータユニット５が接続されている。この駆動モータユニット５は、整流器（図示されていない）、電気トラクションモータ６及び低電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ７を有している。中間回路２は、この整流器によって電気トラクションモータ６と導電性に接続可能である。このＤＣ／ＤＣコンバータ７は中間回路２に接続されており、低電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ７として、バッテリ回路の供給電圧を支援するために、好ましくは１４ボルトの定格電圧と１２ボルトのバッテリ電圧とが装備されている。

中間回路２で作動する整流器は三相整流器として形成され、３つのハーフブリッジを有しており、これらのハーフブリッジは正及び負の供給レールによって双極性に中間回路２と導電性に接続可能である。それぞれのハーフブリッジは、直列に接続可能な２つのスイッチエレメントを有し、これらのエレメントは、好ましくはＩＧＢＴ又はＭＯＳＦＥＴなどの電力半導体として形成されている。それぞれのスイッチエレメントと平行に、しかしそれぞれの電流の流れる方法とは逆に、フリーホイールダイオードを配置することができる。さらに、それぞれのハーフブリッジは、両方のスイッチエレメントの間に中間節点を有しており、各中間節点は、それぞれ、電気モータ６の相巻線と導電性に接続可能である。３つの相巻線は、好ましくはスター型に接続されている。中間回路２の電圧は、例えば、パルス幅変調を用いて３つの相巻線に接続可能である。

さらに、中間回路２は、例えば双極性の配線網を介して、少なくとも一時的に様々な補助ドライブ８と導電性に接続可能である。中間回路２は、この場合、それぞれもう１つのコンバータ（整流器）によって、各補助ドライブ８のもう１つの電気モータとそれぞれ導電性に接続可能である。

加熱段階及び／又は暖機段階の間に出力の一部を損失出力に変換するため、整流器のスイッチエレメントを相応に制御することができる。この場合、１つ又は複数の相巻線に少なくとも一時的に適合する電流が印加されるように設定することができる。燃料電池システムの出力の一部を受電し、損失出力に変換することのできるその他の構成部品を、整流器及び／又は電気モータ６、８に組み込むことも可能である。

中間回路２の電圧レベルが燃料電池システムによって規定され、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ３によって制御可能であるのが好ましい。第１のＤＣ／ＤＣコンバータ３によって、中間回路側の電圧レベルを、バッテリ側の電圧レベルに比べて同等の電圧レベルに、好ましくは異なった電圧レベルに、特により高い又はより低い電圧レベルに調整可能である。異なった電圧レベルを提供するため、この第１のＤＣ／ＤＣコンバータ３は、バック機能（電圧降下）及びブースト機能（電圧上昇）を備えている。バック／ブースト機能を説明するため、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ３に関して、中間回路側の電圧レベルを入力電圧として定義し、バッテリ側の電圧レベルを出力電圧として定義する。ＤＣ／ＤＣコンバータ３の入力電圧がより低い出力電圧に変換される場合、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ３はいわゆるバック機能のバックコンバータとして働く。入力電圧がより高い出力電圧にされる場合、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ３は、ブースト機能を用いてブーストコンバータとして作動する。第１のＤＣ／ＤＣコンバータ３による中間回路電圧の制御は、これが双方向に作動可能であることから、電流を中間回路２に供給することも可能であり、中間回路から取り出すことも可能である。この理由から、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ３は四象限運転で作動可能であり、さらに前述のバック／ブースト機能も使用することができるようになっている。

この種のＤＣ／ＤＣコンバータ３によって、中間回路側の電圧レベルとバッテリ側の電圧レベルとを分離することができ、このことは、特に加熱段階においてとりわけ重要である。加熱段階及び／又は暖機段階の間は、できる限り低い中間回路電圧に調整することが有利である。これによって、燃料電池スタック１は、できる限り低い電圧とできる限り悪い効率とで作動することができ、このことにより、燃料電池スタック１の廃熱が大きくなる。コールドスタートプロセスの間、絶対に下回ってはならない規定最低電圧を、中間回路電圧のために設定することもできる。例えば、凍結点を下回る低温状態において、冷却水ポンプの十分なポンプ性能を（低温状態における冷却水の粘性を考慮に入れて）保証するためには、１８０ボルトの最低電圧が必要である。中間回路２と燃料電池スタック１の電圧レベルは、燃料電池スタック１が中間回路２に直接接続されているため、この実施例においては同じである。

オプションの実施形態においては、燃料電池スタック１の上流に接続されている第２のＤＣ／ＤＣコンバータ９が設けられている。この第２のＤＣ／ＤＣコンバータ９は、図３に点線が付けられている。燃料電池１と中間回路２との間に配置されている（第２の）ＤＣ／ＤＣコンバータ９によって、燃料電池スタック１の電圧は、中間回路２の電圧よりも低く制御されることができ、このことは、特に加熱段階及び／又は暖機段階においてとりわけ有利である。従って、燃料電池スタック１は、加熱段階の間、第１の実施例に比べさらに低い燃料電池スタック電圧、好ましくは７５ボルトより低い電圧で作動可能であるが、それにもかかわらず、電気補機に供給するための、例えば４００ボルトの適切な高い中間回路電圧も提供することができる。従って、オプションのバリエーションでは、加熱段階における燃料電池１の電圧が、第１の実施例と比較してかなり低く設定する方法が提供されており、このことによって、より速い加熱プロセスを実現することができる。

１ 燃料電池スタック
２ 中間回路
３ 第１のＤＣ／ＤＣコンバータ
４ エネルギーアキュムレータ
５ 駆動モータユニット
６ 電気トラクションモータ
７ 低電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ
８ 補助ドライブ
９ 第２のＤＣ／ＤＣコンバータ
１０ 損失出力機能がアクティブにできる
１１ 損失出力が非アクティブ

Claims (15)

1. 特に凍結点を下回る温度における自動車の燃料電池システムのコールドスタート方法であって、
   少なくとも１つの補機によって燃料電池スタック（１）に負荷をかける加熱段階と、
   少なくとも１つの影響因子に応じて走行許可信号を与える暖機段階を含む方法において、
   前記加熱段階及び／又は前記暖機段階における前記燃料電池システムの出力の特定量を受電手段によって受け取り、
   受電された出力量を、電気モータ（６、８）の少なくとも１つの通電コイルへの適切な電流の印加によって損失出力に変換する、段階を有することを特徴とする方法。
2. 前記受電手段が整流器であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記暖機段階での走行許可信号が、前記燃料電池システムの使用可能な出力に応じて、又は前記燃料電池スタック（１）とエネルギーアキュムレータ（４）とから入手可能な全出力に応じて与えられることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記暖機段階における前記走行許可信号が、前記燃料電池システムの出力の５０％未満が使用可能である場合に与えられ、特に好ましくは出力の２０％が使用可能である場合に与えられるか、又は前記暖機段階の前記走行許可信号が、前記燃料電池スタック（１）と前記エネルギーアキュムレータ（４）との全出力の５０％未満が使用可能である場合に与えられ、特に好ましくは全出力の２０％が使用可能である場合に与えられることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. コールドスタート後に、前記燃料電池システムの冷却回路内の温度が引き上げられる、及び／又は前記燃料電池スタック（１）の供給ガスの入力湿度が下げられることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記燃料電池スタック（１）及び／又は前記エネルギーアキュムレータ（４）が、前記加熱段階及び／又は前記暖機段階の間、その受電に関して可変的な少なくとも１つの補機によって定期的に負荷をかけられるため、前記燃料電池スタック（１）及び／又は前記エネルギーアキュムレータ（４）は、第２の時間間隔におけるよりも第１の時間間隔においてより大きな出力を発生することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記燃料電池スタック（１）及び／又は前記エネルギーアキュムレータ（４）が、第２の時間間隔において０ｋＷの出力を発生することを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. 前記燃料電池スタック（１）と前記エネルギーアキュムレータ（４）とが、その受電に関して可変的な少なくとも１つの補機によって定期的に負荷をかけられるため、前記燃料電池スタック（１）は、第２の時間間隔におけるよりも第１の時間間隔においてより大きな出力を発生し、前記エネルギーアキュムレータ（４）は、第２の時間間隔におけるよりも第１の時間間隔においてより低い出力を発生することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記燃料電池スタック（１）が、第２の時間間隔において０ｋＷの出力を発生し、前記エネルギーアキュムレータ（４）が、第１の時間間隔において０ｋＷの出力を発生することを特徴とする、請求項８に記載の方法。
10. 燃料電池システムが、少なくとも１つの燃料電池スタック（１）を有し、該燃料電池スタックは、中間回路（２）のために直流電流を提供するため、前記中間回路（２）と導電性に接続可能であり、前記中間回路（２）は、整流器によって電気モータ（６）と導電性に接続可能であり、前記中間回路（２）は、エネルギーアキュムレータ（４）と導電性に接続可能であることを特徴とする自動車の前記燃料電池システムであって、
    前記燃料電池システムの特定の出力量を受電し、前記受電された出力量を、前記電気モータ（６）の少なくとも１つの通電コイルに適切な電流を印加することにより損失出力に変換する前記整流器を制御するための制御装置が設けられていることを特徴とする、車両の燃料電池システム。
11. 前記電気モータ（６）が、トラクションモータであることを特徴とする、請求項１０に記載の燃料電池システム。
12. 前記中間回路（２）が、少なくとももう１つの整流器によって少なくとももう１つの電気モータ（８）と導電性に接続可能であり、前記燃料電池システムのさらなる出力量を受電し、前記受電されたさらなる出力量を、少なくとももう１つの前記電気モータ（８）の少なくとも１つの通電コイルに適切な電流を印加することにより損失出力に変換する少なくとももう１つの前記整流器を制御するために、前記制御装置及び／又はもう１つの制御装置が設けられていることを特徴とする、請求項１０又は１１に記載の燃料電池システム。
13. 第１のＤＣ／ＤＣコンバータ（３）が、エネルギーアキュムレータ（４）と中間回路（２）との間に配置されていることを特徴とする、請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
14. 前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータ（３）が、双方向に作動可能なバック／ブースト複合コンバータとして形成されており、該コンバータが、加熱段階及び／又は暖機段階の間、できる限り低い中間回路電圧、特に２００ボルトより低い電圧に調整するために設けられていることを特徴とする、請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
15. 前記燃料電池スタック（１）と前記中間回路（２）との間に、特にブーストコンバータ又はバック／ブースト複合コンバータとして形成されている第２のＤＣ／ＤＣコンバータ（９）が配置されており、該コンバータが、加熱段階及び／又は暖機段階の間、できる限り低い燃料電池スタック電圧、特に７５ボルトより低い電圧に調整するために設けられていることを特徴とする、請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

Images