JP2014500189A - 自動車の車内を暖房するための方法 - Google Patents

Abstract

自動車（１）の車内（２）を暖房するための方法であって、この場合前記自動車は、燃料電池（３）と、環境測定装置（５）であり、それにより前記自動車（１）の車内（２）の環境パラメータの測定が行われる環境測定装置（５）と、燃料電池（３）から発生される熱（３１）を自動車（１）の車内（２）へと伝達する熱伝達装置（６）とを備える。本発明は、燃料電池（３）の少なくとも１つの作動パラメータが、自動車（１）の車内（２）の環境パラメータに従って調節され、この場合燃料電池（３）から発生される熱（３１）の割合は作動パラメータに依存することを特徴とする。

Description

本発明は自動車の車内を暖房するための方法に関し、この場合自動車は燃料電池を備える。

特許文献１は自動車の車内の空調のための装置を説明しており、この場合は自動車の燃料電池の排熱が熱伝達装置を介して空気を暖めることに使われ、暖められた空気が車内に送り込まれる。この装置はこれ以外に付加的な熱源として、車内に送り込まれる空気を温めるために、電気式に作動するヒータ装置を備える。

この説明されている装置と、この装置と共に説明されている暖房方法の欠点は、一方では複雑で大規模な暖房装置の高いコストであり、他方では、この説明されている数回にわたるエネルギ変換、すなわち、まず燃料電池内での化学エネルギから電気エネルギへの変換、そして続いての電気的ヒータ装置内での電気エネルギから熱への変換に伴う、エネルギ損失である。

米国公開特許第２００４／０１９５３４５号

したがって本発明の課題は、この方法と関連する暖房システムの簡略化を可能にし、またエネルギ的により高い全体的効率を有する、自動車の車内を暖房するための方法を提案することである。

この課題は、請求項１の特徴を備える、自動車の車内を暖房するための方法によって解決される。本発明の有利な発展形態は従属項から明らかになる。

この自動車は燃料電池、環境測定装置、ならびに、燃料電池から発生される熱を、自動車の車内へと伝達するための、熱伝達装置を備える。

この場合、燃料電池は自動車の電気式走行駆動のため、または自動車のその他の電気消費器のためにも電気エネルギを供給できる。それ以外にこの燃料電池は、電気エネルギ貯蔵器を充電するための電気エネルギを提供する。

環境測定装置を介して、自動車の車内の少なくとも１つの環境パラメータが測定される。この環境パラメータは、例えば車内温度または車内湿度のような、車内を支配する物理的環境値を描写するパラメータであるが、しかしこの環境パラメータは、自動車の運転者または同乗者が空調操作ユニットに入力した、所望の環境値でもあり得る。所望の環境値は例えば設定車内温度または設定車内湿度である。

熱伝達装置は、車内と燃料電池間の熱的結合を形成するように考案されている。熱伝達装置は１つまたは複数の熱交換システムから形成され、この場合１つまたは複数の熱交換システムを介して、燃料電池から発生される熱が車内へと搬送される。

本発明では、燃料電池の少なくとも１つの作動パラメータが、他の複数の依存関係に加えて、自動車の車内環境パラメータに従って設定され、この場合燃料電池から発生される熱の割合（Rate der Waerme）は作動パラメータに依存する。このようにして燃料電池から発生される熱は環境パラメータに従って調節される。熱の割合とは単位時間当たりに発生される熱を意味する。

この場合の従来技術に対しての利点は、本発明にそって環境パラメータに従って燃料電池の熱発生を制御することによって、車内の効率的な暖房を実施し得るということである。燃料電池の非制御の熱発生を備えているこれまでの既知のシステムの場合は、特に低い外気温度の場合に生じるような付加的な熱需要は、付加的な暖房装置で補われなければならない。このような付加的な暖房装置は詳細には電気式エアヒータまたは電気式ウォーターヒータである。

燃料電池の少なくとも１つの作動パラメータは燃料電池の電気出力または電気出力に依存する値であることが好ましい。燃料電池の熱発生は燃料電池の設定された電気出力の関数である。電気出力が高ければ高いほど、熱発生は高くなる。さらに、燃料電池の電気効率は燃料電池の電気出力の関数である。電気効率とは燃料電池の電気出力を燃料電池の総出力で割った商を意味し、この場合総出力は電気出力と熱出力の和で構成する。その他は同じ条件下にある場合、燃料電池の電気効率は特定の電気出力の場合に最大値を有する。電気出力がこの最大値から出発して増加されると、１つには電気出力の上昇のために、また他方では電気効率の悪化のために、熱発生、すなわち熱出力が増加する。少なくとも１つの作動パラメータは、体積流量または燃料電池の反応ガスの分圧でもあり得る。反応ガスは通常水素と酸素であって、この場合酸素は通常は空気の形態で燃料電池内に送り込まれる。体積流量または反応ガスの分圧の低下によって燃料電池の電気効率は低下し、これによって熱発生が増加され得る。

この方法は、燃料電池に加えて高性能の電気エネルギ貯蔵器を備える自動車において、特に有利に使用され得る。この場合、この電気エネルギ貯蔵器は、自動車の電気式走行駆動のため、または自動車のその他の電気消費器のためにも電気エネルギを供給できる。この方法はこの場合、環境パラメータに従って、燃料電池の電気出力と電気エネルギ貯蔵器の電気出力放出が逆方向に変更されるように実施されていることが好ましい。例えば環境パラメータに従って、燃料電池の電気出力は増加され、電気エネルギ貯蔵器の電気出力すなわち電気出力放出は低減される。このようにして燃料電池の熱発生は前述の方法で調整され得、また燃料電池と電気エネルギ貯蔵器からなるシステムの総電気出力は一定に維持され、または燃料電池の熱発生に影響されずに調節され得る。

本発明の他の有利な実施形態は、環境パラメータが車内の温度であるように考慮され、この場合、環境測定装置は車内温度を測定するために温度センサを備えている。代替として、環境パラメータが車内湿度であり得、この場合、環境測定装置は湿度センサを備えている。代替として、環境パラメータが車内の設定温度であり得、この場合、設定温度は自動車の運転者または同乗者によって設定される。運転者または同乗者による設定は、例えば空調機の操作装置によって実施され得る。代替として、環境パラメータは設定温度と車内温度すなわち現在値との差であり得る。代替として、環境パラメータは、熱伝達装置の熱を車内へ伝達するための暖気の体積流量であり得る。代替として、環境パラメータは、車内の湿度であり得る。代替として、環境パラメータは、上述の複数の変数から形成された値であり得る。

上述の複数の変数から、有利なことに車内暖房のための熱需要が導出され得る。車内を暖めるための熱需要が僅かである場合は、燃料電池は最大電気効率で動作されることが好ましく、この場合燃料電池の排熱は本発明の方法で車内を暖めるためには充分である。車内を暖めるための熱需要が大きい場合は、上昇した熱需要を賄うために燃料電池の熱発生が上昇するように、燃料電池は本発明の方法で作動される。

この方法の１つの有利な発展形態は、熱伝達装置が燃料電池を冷却するための冷却回路を備え、また車内空気加熱装置を有し、この場合、冷却回路と車内空気加熱装置が熱的に連結されていることからなる。この配列の場合、燃料電池で発生した熱を車内へ伝達する際の熱損失は低く保たれる。

さらなる利点および特徴は、以下の例示的実施例の説明、ならびにその中では同じ構成要素に同じ記号が付けられているところの図面を参照にして明らかにされる。

本発明の方法の使用に適している自動車の概略図である。 ファンクションダイアグラムを用いた本発明の方法の概略図である。

図１は本発明の方法の使用に適している自動車１の概略図を示す。この自動車１は、車内２、燃料電池３、およびトラクションバッテリ４の形態の電気エネルギ貯蔵器を備える。このトラクションバッテリ４は高電圧バッテリである。燃料電池３およびトラクションバッテリ４は図示されていない配線を介して電気システム１１と連結されていて、この場合、詳細に示されていない電気式駆動システムは電気システム１１の一部である。この燃料電池３は燃料電池パワーエレクトロニクス１３を介して燃料電池電気出力１５を電気システム１１に供給する。同じようにトラクションバッテリ４はトラクションバッテリパワーエレクトロニクス１４を介してトラクションバッテリ電気出力１６を電気システム１１に供給する。この他に、トラクションバッテリ４は、電気システム１１内に含まれている、図示されていない発電システムで発生される発電による電気出力１７を受け取る。

自動車１はさらに温度センサの形態で環境測定装置５を備え、温度センサは車内２の適当な位置に取り付けられている。燃料電池３からはその作動中に熱３１が発生し、熱はまず燃料電池３から熱伝達装置６に伝達される。熱伝達装置６は冷却回路７および車内空気加熱装置８を備える。燃料電池３から発生される熱３１は、基本的に冷却回路７を介して車内空気加熱装置８に伝達される。車内空気加熱装置８内では詳細には示されてはいない空気流が加熱され、この空気流は暖められた後に車内２に送り込まれる。車内空気加熱装置８を介して空気加熱出力Ｐ（Ｌ）が調節される。本発明の方法により自動車１を制御および調整するために、自動車１は制御装置システムを備える。この制御装置システムは、環境制御装置１０、燃料電池パワーエレクトロニクス１３、トラクションバッテリパワーエレクトロニクス１４ならびに出力管理制御装置９を備える。この制御装置１０、燃料電池パワーエレクトロニクス１３、トラクションバッテリパワーエレクトロニクス１４ならびに出力管理制御装置９は相互に通信ネットワーク１２を介して連結されており、そのネットワークを介してデータが交換され得る。通信ネットワーク１２はＣＡＮバスシステムを有する。環境測定装置５はセンサ配線１８を介して制御装置１０と連結されている。制御装置１０はさらに制御配線１９を介して空気加熱装置８と連結されており、その結果空気加熱出力が制御装置１０を介して調整され得る。

図２はファンクションダイアグラムを用いた本発明の方法の概略図を示す。
本発明の方法は車内暖房の制御と調整のための車内暖房機能４１を備える。この車内暖房機能４１は車内空調システムの制御と調整のための空調機能４０の一部分である。この空調機能４０は他の機能に加えて、適切なハードウェアおよびソフトウェア手段を用いて、環境制御装置１０によって実施される。車内暖房機能４１は車内暖房出力Ｐ（Ｈ）を決定する手段を有する。車内暖房出力Ｐ（Ｈ）は、自動車１の運転者または同乗者によって設定される車内設定温度Ｔ（Ｓｏｌｌ）に従って、また車内２を支配する車内現在温度Ｔ（ｉｓｔ）に従って定められる。この他に、空気加熱出力Ｐ（Ｌ）は、この定められた車内暖房出力Ｐ（Ｈ）に従って定められる。この定められた空気加熱出力Ｐ（Ｌ）に対応して空気加熱出力Ｐ（Ｌ）を調節するために、制御配線１９を介して空気加熱装置が制御される。

車内暖房機能４１は、この定められた車内暖房出力Ｐ（Ｈ）に従って、加熱ステータスＢ＿ＺＵＨＥＩＺを定める。この定められた車内暖房出力Ｐ（Ｈ）が閾値Ｓよりも大きい場合は、加熱ステータスＢ＿ＺＵＨＥＩＺは値１が割り当てられ、また確定された車内暖房出力Ｐ（Ｈ）が閾値Ｓよりも小さい場合は、加熱ステータスＢ＿ＺＵＨＥＩＺは値０が割り当てられる。閾値Ｓは燃料電池３で発生した熱３１に特に依存し、この熱３１が空気加熱装置８内で望まれる車内暖房出力Ｐ（Ｈ）を形成するためには不十分である場合、加熱ステータスＢ＿ＺＵＨＥＩＺは値１を得る。

本発明の方法はさらに、燃料電池３およびバッテリ４の電気出力管理システムを制御および調整するための出力管理機能４２を備える。この出力管理機能４２は、他の機能に加えて、適切なハードウェアおよびソフトウェア手段を用いて、出力管理制御装置９によって実施される。

出力管理制御装置９の出力管理機能４２を用いて、必要とされる総電気出力は、燃料電池３の電気出力Ｐ（ＢＺ）とバッテリ４の電気出力Ｐ（Ｂａｔｔ）とに割り振られる。この割振りは、加熱ステータスＢ＿ＺＵＨＥＩＺの値が０である限り、本方法では最大電気効率という結果をもたらす。この場合は、燃料電池３の基本電気出力Ｐ（ＢＺ，０）とバッテリ４の基本電気出力Ｐ（Ｂａｔｔ，０）とが存在する。この際に分割は、例えば構成部品温度または総電気出力のようなさまざまなパラメータに依存して変化し得る。

加熱ステータスＢ＿ＺＵＨＥＩＺが値１を得ると、燃料電池３の電気出力Ｐ（ＢＺ）が、出力管理機能４２内の燃料電池負荷管理機能４３によって加熱出力ΔＰ分だけ増加される。これにより燃料電池３から発生される熱３１は強制的に増加され、これによって最終的に空気加熱出力Ｐ（Ｌ）も増加し得、また増加される。同時に、この場合、バッテリ負荷管理機能４４によって、加熱出力ΔＰの大きさだけバッテリ４の電気出力Ｐ（Ｂａｔｔ）は低減され、この結果、その他は同じ条件下にある場合、総電気出力は一定に保たれる。燃料電池３の電気出力Ｐ（ＢＺ）の増加によって、全体システムの電気効率は低減する。しかしながら、この際に発生する付加的な排熱、すなわち増加した熱３１は車内２を効率的に暖めるために使われる。代替としての、付加的な電気式エアヒータまたは電気式ウォーターヒータによる車内２の電気暖房では、全エネルギ効率は低いであろう。

そのつど設定されるべき燃料電池３の電気出力Ｐ（ＢＺ）は、通信ネットワーク１２を介して燃料電池パワーエレクトロニクス１３に伝達され、そこで相応に調節される。そのつど設定するべきバッテリ４の電気出力Ｐ（Ｂａｔｔ）は、通信ネットワーク１２を介してバッテリパワーエレクトロニクス１４に伝達され、そこで相応に調節される。燃料電池３で発生した熱３１が増加した後、空気加熱出力Ｐ（Ｌ）の増加が起きる。

１ 自動車
２ 車内
３ 燃料電池
４ トラクションバッテリ
５ 環境測定装置
６ 熱伝達装置
７ 冷却回路
８ 車内空気加熱装置
９ 出力管理制御装置
１０ 環境制御装置
１１ 電気システム
１２ 通信ネットワーク
１３ 燃料電池パワーエレクトロニクス
１４ トラクションバッテリパワーエレクトロニクス
１５ 燃料電池電気出力
１６ トラクションバッテリ電気出力
１７ 発電による電気出力
１８ センサ配線
１９ 制御配線
３１ 燃料電池から発生される熱
４０ 空調機能
４１ 車内暖房機能
４２ 性能管理制御機能
４３ 燃料電池負荷管理機能
４４ バッテリ負荷管理機能
Ｐ（Ｈ） 車内暖房出力
Ｐ（Ｌ） 空気加熱出力
Ｔ（Ｓｏｌｌ） 車内設定温度
Ｔ（ｉｓｔ） 車内現在温度
Ｂ＿ＺＵＨＥＩＺ 加熱ステータス
Ｐ（ＢＺ） 燃料電池の電気出力
Ｐ（Ｂａｔｔ） バッテリの電気出力
Ｐ（ＢＺ，０） 燃料電池の基本電気出力
Ｐ（Ｂａｔｔ，０） バッテリの基本電気出力
ΔＰ 加熱出力

この説明されている装置と、この装置と共に説明されている暖房方法の欠点は、一方では複雑で大規模な暖房装置の高いコストであり、他方では、この説明されている数回にわたるエネルギ変換、すなわち、まず燃料電池内での化学エネルギから電気エネルギへの変換、そして続いての電気的ヒータ装置内での電気エネルギから熱への変換に伴う、エネルギ損失である。
同種に係るＦＲ２８１９７６０Ａ１は自動車の車内の暖房方法を説明し、この方法では燃料電池の電気出力は車内の熱需要に従って調節され、この際に燃料電池の排熱は車内を暖めるために使用される。車内のための熱需要が増加した場合、燃料電池の電気出力が、およびこれと関連して燃料電池の排熱も増加される。燃料電池の過剰な電気出力はバッテリの充電に使用される。

Claims (7)

1. 自動車（１）の車内（２）を暖房するための方法であって、
   燃料電池（３）と、
   環境測定装置（５）であり、それにより前記自動車（１）の車内（２）の環境パラメータ（Ｔ（ｉｓｔ）、Ｔ（ｓｏｌｌ））の測定が行われる前記環境測定装置（５）と、
   燃料電池（３）から発生される熱（３１）を前記自動車（１）の車内（２）へ伝達するための熱伝達装置（６）とを備え、
   前記燃料電池（３）の少なくとも１つの作動パラメータが前記環境パラメータ（Ｔ（ｉｓｔ）、Ｔ（ｓｏｌｌ））に従って設定されることで、前記燃料電池（３）から発生される熱（３１）の割合が、車内（２）を暖房する目的のために、前記環境パラメータ（Ｔ（ｉｓｔ）、Ｔ（ｓｏｌｌ））に従って調節されることを特徴とする方法。
2. 前記作動パラメータが前記燃料電池（３）の電気出力（Ｐ（ＢＺ））であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記自動車が、トラクションバッテリ（４）を有し、前記環境パラメータ（Ｔ（ｉｓｔ）、Ｔ（ｓｏｌｌ））に従って、前記燃料電池（３）の前記電気出力（Ｐ（ＢＺ））と前記トラクションバッテリ（４）の電気出力（Ｐ（Ｂａｔｔ））が、逆方向に変更されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記環境パラメータに従って、前記燃料電池（３）の前記電気出力（Ｐ（ＢＺ））が増加され、および前記トラクションバッテリ（４）の前記電気出力（Ｐ（Ｂａｔｔ））が低減されることを特徴とする請求項２または３に記載の方法。
5. 前記燃料電池（３）の前記電気出力（Ｐ（ＢＺ））と前記トラクションバッテリ（４）の前記電気出力（Ｐ（Ｂａｔｔ））が、それぞれ少なくとも部分的に自動車（１）の走行駆動のための駆動力として使用されることを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記環境パラメータが、車内（２）の現在温度（Ｔ（ｉｓｔ））、または車内（２）の設定温度（Ｔ（ｓｏｌｌ））と現在温度（Ｔ（ｉｓｔ））との差、または熱を熱伝達装置（６）から車内（２）へ伝達する暖気の体積流量、または車内（２）の湿度、または外気温、またはこれらの複数の変数から形成された値であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記熱伝達装置（６）が、燃料電池（３）の冷却のための冷却回路（７）と、車内空気加熱装置（８）とを有し、前記冷却回路（７）および前記車内空気加熱装置（８）が熱的に連結されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
   

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