CN1258242C - 燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

一种与可再充电电池(18)配合的燃料电池系统，设置燃料电池(12)作为具有电动马达的电动车辆中的动力源。该燃料电池系统和可再充电电池(18)给电动马达提供电功率。该燃料电池系统还包含重整装置(11)，作为给燃料电池(12)供应含氢气体的氢源。该燃料电池系统包括：温度传感器(19)，用于测量可再充电电池的温度(Tb)；和控制器(16)，用于基于测量的温度(Tb)控制燃料电池系统的响应特性(主要是重整装置的响应特性)。控制器(16)基于测量的温度计算燃料电池系统的响应时间，响应于所计算的响应时间控制提供给燃料电池的含氢气体。

Description

燃料电池系统
发明领域
本发明涉及燃料电池系统，尤其是与可再充电电池配合的燃料电池系统。
发明背景
1992年日本专利局公开的特开平04-051466公开了一种与可再充电电池配合的燃料电池系统。燃料电池系统和可再充电电池与负载电路连接，为负载电路提供电功率。在这种常规的燃料电池系统中，当负载电路所需的功率超过燃料电池的功率产生量时，可再充电电池执行放电操作。当负载电路所需的功率少于燃料电池的产生量时，由燃料电池产生的过量功率被回授(regenerated)给电池。
1997年日本专利局公开的特开平09-007618中公开了一种燃料重整的燃料电池系统，通过根据负载电路所需功率的变化率调整燃料电池系统中重整装置的响应速度，这种燃料电池系统减小了与该燃料电池系统配合的可再充电电池的容量。
发明内容
然而，当控制重整装置的工作以便根据燃料电池系统所需功率抑制重整装置的响应速度和抑制转换器的输出变化时，对可再充电电池的输出要求增加了。这会导致可再充电电池中温度升高，使可再充电电池退化或毁坏。
因此，本发明的目的是提供一种有效的燃料电池系统，这种燃料电池系统基于可再充电电池的热力条件例如可再充电电池的温度控制燃料电池系统的响应特性。
为了实现上述目的，本发明提供了一种燃料电池系统，该燃料电池系统与马达和可再充电电池连接，并且配置有燃料电池和给燃料电池提供含氢气体的含氢气体源，该燃料电池系统和可再充电电池给马达提供电力，该燃料电池系统包括：第一温度传感器，用于检测可再充电电池的温度，负载传感器，用于检测马达所需的功率，和与第一温度传感器和负载传感器相耦合的控制器，该控制器用于：当检测到马达所需功率的变化时，根据检测到的可再充电电池的温度，计算燃料电池系统的响应时间；和根据所计算的响应时间，控制对燃料电池的含氢气体的供应。
本发明还提供了一种用于控制燃料电池系统的控制方法，该燃料电池系统与马达和可再充电电池连接并且配置有燃料电池和给燃料电池供应含氢气体的含氢气体源，该燃料电池系统和可再充电电池给马达提供电功率，该控制方法包括：检测可再充电电池的温度，检测马达所需的功率，当检测到马达所需功率的变化时，根据检测的可再充电电池的温度，计算燃料电池系统的响应时间；和根据所计算的响应时间，控制提供给燃料电池的含氢气体。
下面阐明并且在附图中示出了本发明的细节以及其它特征和优点。
附图说明
图1是根据本发明的燃料电池系统的结构示意图。
图2是用于计算系统响应时间Rt的主程序流程图。
图3是用于计算系统的基本响应时间Rtm的映射图。
图4是用于计算校正系数C1的映射图。
图5是用于计算校正系数C2的子程序流程图。
图6是用于确定车辆工作条件的映射图。
图7是用于计算校正系数C3的映射图。
图8是用于计算校正系数C4的映射图。
图9是对应于响应时间Rt的图的集合，表明当时燃料、水和空气流速的变化。图9(a)显示了当Rt＝3秒时的图。图9(b)显示了当Rt＝7秒时的图。
具体实施方式
图1显示了应用本发明的重整型燃料电池系统。该燃料电池系统用于需要电功率的电动车辆或者任何移动的物体中。由燃料箱10提供的燃料在重整装置11中进行重整反应，以便生成富氢重整气体。这样，重整装置11作为含氢气体源。将重整气体和空气提供给燃料电池12以便使燃料电池12产生功率。产生的功率通过功率控制电路31提供给马达13。以这种方式驱动马达13。配置有空气压缩机25a和空气流量控制阀25b的空气供应装置25给重整装置11供应空气。配置有水源27a和水流量控制阀27b的水供应装置27给重整装置11供应水。优选，可以在重整装置11和燃料电池12之间设置流量控制阀29，控制来自重整装置11的重整气体的流量(流速)。马达13与车轮14连接，由于马达使车轮转动，因而可以驱动车辆。
控制器16是配置有中央处理单元(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)和输入/输出界面(I/O界面)的微型计算机。控制器16可包括多台微机。控制器16与加速器踏板传感器17、第一温度传感器19、第二温度传感器20、第三温度传感器21、燃料流量控制阀23、空气供应装置25、水供应装置27和功率控制电路31电连接。控制器16从这些部件接收信号或者向这些部件输出信号。
作为可再充电电池的电池18与燃料电池12平行设置。基于驱动马达13所需的功率量和燃料电池12的功率产生量，控制器16通过功率控制电路31控制电池18提供给马达13的功率。当燃料电池12的功率产生量小于马达13所需的功率时，来自电池18的功率通过功率控制电路31提供给马达13。当燃料电池12的功率产生量大于马达13所需的功率时，利用燃料电池12产生的过量功率，通过功率控制电路31将来自燃料电池12的功率提供给电池18。此外，功率控制电路31具有检测燃料电池12所产生的功率量的功能。
马达13可以是交流马达。在这种情况下，功率控制电路31包含用于调节燃料电池12的电压的DC-DC转换电路31a和反相器电路31b，反相器电路31b用于将燃料电池12或电池18的直流转换为供应给马达13的交流。反相器电路31b以功率回授操作将马达13提供的交流转换为燃料电池12或电池18的直流。DC-DC转换电路31a与电池18和反相器电路31b连接。来自燃料电池12的功率通过DC-DC转换电路31a和反相器电路31b提供给马达13或者通过DC-DC转换电路31a提供给电池18。
加速器马达传感器17检测加速器踏板的压下量，控制器16基于来自加速器踏板传感器17(负载传感器)的信号计算马达13所需的功率(所需的负载)。加速器踏板的压下量表示马达13所需的负载(功率)。当加速器踏板的压下量增加时，马达13所需的功率增加。控制器16的存储器存储表明加速器踏板的压下量与所需功率量之间关系的图(未示出)。
在燃料箱10中提供燃料流量控制阀23，使其控制燃料的流速。控制器16控制燃料流量控制阀23的开口。
燃料电池系统配置有：第一温度传感器19，检测作为电池18的热力条件的电池18的温度；第二温度传感器20，检测重整装置11的温度；第三温度传感器21，检测燃料电池系统外部的环境温度；和电池传感器22，测量电池的充电状态(SOC)。来自传感器的信号通过I/O界面输入控制器16。电池传感器22是累积(integrates)时间和电池18中的充/放电电流的电流值的传感器，用以检测电池18的充电状态。然而，并不限于此，电池传感器22也可以适用于检测充/放电电流的电流值，此后控制器16累积所经时间的电流值。
下面将基于图2的流程图描述用于控制燃料电池系统的响应特性的控制程序。控制器16以定期的执行间隔Tp执行控制程序，该间隔Tp可以是3秒。
重整装置的响应特性和燃料电池系统的响应特性是对车辆的性能具有较大影响的响应特性。燃料电池系统的响应时间可以定义为从驾驶员操作加速器踏板(从马达13所需的功率出现变化)直到通过燃料电池12已经达到马达13所需的功率所经过的时间。燃料的目标流速依赖于加速器踏板的压下量、重整装置的温度和电池的SOC，当燃料的目标流速通过重整装置重整时，燃料电池12可以产生马达13所需的功率。控制器16计算燃料的目标流速，产生与马达13所需功率对应的含氢气体的目标流速，并且在该燃料的目标流速，燃料电池12能够产生马达13所需的功率。
重整装置的响应时间可以定义为从驾驶员操纵加速器踏板(马达13所需功率出现变化)直到通过重整装置已经产生了含氢气体的目标流速所经过的时间。含氢气体的目标流速是燃料电池12能够产生马达13所需功率的流速。
由于重整装置11的响应低，因此相对于燃料电池系统的响应速度，重整装置11的响应速度是最主要的。即，燃料电池系统的响应时间几乎等于重整装置的响应时间。这样通过本发明进行的控制起作用以便协调可再充电电池和重整装置的工作。
首先，在步骤S1中，读取马达13所需负载的大小La和负载变化率Lv(每单位时间负载的变化)。基于马达13所需负载的大小La和燃料电池12目前的输出功率计算变化率Lv，马达13所需的负载大小La基于来自加速器踏板传感器17的信号。
然后，在步骤S2中，确定负载的变化率是否比阈值Ra大。当负载的变化率Lv比阈值Ra小时，负载变化和缓，并且仅用燃料电池就可以处理(不用电池18)。此后程序进行到步骤S10。在步骤S10，以预定的响应速度Sa、也就是说以预定的响应时间Rp使燃料电池系统继续工作。燃料电池系统的响应时间Rt设定为预定的响应时间Rp(Rt＝Rp)。该预定的响应时间Rp在5至10秒的范围内。预定的响应时间Rp最好取7秒。然后程序进行到步骤S11。如果变化率Lv大于或者等于阈值Ra，确定负载具有快速变化，需要来自电池18的功率供应。在这种情况下，程序进行到步骤S3，在步骤S3从各个传感器读取电池温度Tb、电池的充电状态(SOC)、环境温度Ta和重整装置温度Tr。
例如，当取最大负载值为100％时，对于负载变化率Lv来说阈值Ra设为10(％/秒)。也就是说，当负载变化大于10％/秒时，程序进行到步骤S3。
然后，在步骤S4之后的步骤中，进行燃料电池系统的响应时间Rt的实际计算。通过等式Rt＝Rtm/(C1×C2×C3×C4)得出燃料电池系统的响应时间Rt。这里Rtm是基本响应时间，C1、C2、C3、C4是校正系数。
首先，在步骤S4中，利用规定燃料电池系统的基本响应时间Rtm和电池温度Tb之间关系的主映射图(图3所示)计算燃料电池系统的基本响应时间Rtm。图3的主映射图存储在控制器16的存储器中。基于电池温度Tb的值进行计算。在预定的电池温度Tbmax以下，基本响应时间Rtm随着电池温度Tb的增加而增加，在预定的电池温度Tbmax以上，基本响应时间Rtm随着电池温度Tb的增加而降低，在预定的电池温度Tbmax基本响应时间Rtm取得最大值。预定电池温度Tbmax的范围从0摄氏度到电池18的最大可允许温度(例如60摄氏度)。在最大可允许温度以上，电池18会毁坏或者退化。
为此，修改(adapted)主映射图使得当电池温度Tb接近最大可允许温度时，基本响应时间Rtm基本减小到零，以便增加燃料电池系统的响应速度。通过增加燃料电池系统的响应速度减小来自电池18的功率供应。结果能够控制电池温度Tb使其小于或者等于最大可允许温度，这样采取预防措施以避免电池18的毁坏或退化。
然后，在步骤S5中，计算第一校正系数C1，以便响应于电池18的SOC以对系统的基本响应时间Rtm进行校正。
第一校正系数C1的计算使用图4所示的映射图，并且包括从SOC值读取响应时间的第一校正系数C1。图4所示的映射图存储在控制器16的存储器中。在该图中，当SOC增加时，第一校正系数C1降低，以便随着SOC值增加燃料电池系统的响应时间Rt。这样，当SOC值大时，消耗电池功率，并且抑制了SOC值的增加。燃料电池系统可以修改响应于电池18的SOC的响应时间Rt。
然后，在步骤S6中，进行图5中的子程序所示的计算。在图5的子程序中，进行车辆的工作条件的分类。在该步骤中，在负载La大于预定值Lc的条件下，确定每单位时间Te马达13的负载变化率Lv多么频繁地超过阈值Ld(负载多么频繁地快速变化)。这是为了确定车辆的工作条件。
首先，在步骤S21中，给时间计数器值Td加1。在步骤S22中，计算负载Lv(％/秒)的变化率。在步骤S23中，确定基于加速器踏板传感器17的检测值的所需负载的大小La是否大于阈值Lc(例如20％)和负载变化率Lv(％/秒)是否大于阈值Ld(例如30％/秒)。如图6中的图所示，当所需负载的大小La(％)大于阈值Lc和负载变化率Lv(％/秒)大于阈值Ld时，程序进行到步骤S24，将目前的工作指数(operating index)Di加1后的值设定为新的工作指数Di。图6的主映射图存储在控制器16的存储器中。图6用于确定车辆的工作条件。当所需负载的大小La(％)和负载变化率Lv(％/秒)在图6的阴影区内时，确定快速加速车辆。然后，工作指数Di增加1。工作指数表示负载快速变化的频率或者车辆快速加速的频率。
在步骤S25中，当时间计数器值Td已经达到固定值Te时，程序进行到步骤S26，确定车辆的工作条件。另一方面，在步骤S25中，当时间计数器值Td小于固定值Te时，程序返回步骤S1。固定值Te是从60/Tp至300/Tp范围内的值。如上所述预定时间Tp表示图2所示的主程序的执行间隔。当预定时间Tp为3秒时，固定值Te取20-100内的值。
在步骤S26中，确定工作指数Di是否大于或者等于阈值Df。阈值Df依赖于控制程序的执行时间(Tp)，并且是与每分钟工作指数Di十倍的增加对应的值。当工作指数Di大于或者等于阈值Df时，车辆工作在马达13的负载大且所需负载的波动也大的条件下。在这种情况下，在步骤S27中，第二校正系数C2设定为BB(C2＝BB)。这里，BB是大于1的常数。计算了第二校正常数C2之后，在步骤S28中重新设定Td、Di值为0。当负载和负载波动都取大值时，通过将第二校正系数C2设定到大于1的值，增加了燃料电池系统的响应速度，并且降低了电池18提供的功率。
在步骤S26中，当Di小于阈值Df时，程序进行到步骤S29，第二校正系数C2值设定为1。此后程序进行到步骤S28。
以这种方式，基于加速器踏板传感器17的检测值计算单位时间Te中马达13的负载变化和马达13的负载大小。然后，基于计算结果对车辆的工作条件进行分类，并且校正重整装置11的响应速度。以这种方式，当负载La和负载变化Lv大时，为了防止电池18的退化，进行校正以增加重整装置11的响应速度Rt。
在完成子程序之后，在步骤S7中，基于第三温度传感器21检测的环境温度Ta计算第三校正系数C3。利用图7所示的映射图，基于环境温度Ta计算系统响应时间的第三校正系数C3。图7的图存储在控制器16的存储器中。图7所示的映射图的特性在于当环境温度Ta增加时，第三校正系数C3也增加。这样，由于燃料电池系统的响应时间Rt随着环境温度Ta的增加而降低，因此在高温能够减小电池18上的负载，防止电池18退化。
此外，当环境温度Ta降低时，电池的冷却效率增加。例如，环境温度为20摄氏度时的电池冷却效率大于环境温度为40摄氏度时的冷却效率。结果当环境温度Ta低时，燃料电池系统的响应时间Rt相对较大，使得电池18提供相对大量的功率。
然后，在步骤S8中，利用图8所示的映射图，基于重整装置温度Tr计算系统响应时间的第四校正系数C4。图8的映射图存储在控制器16的存储器中。当重整装置温度Tr小于阈值Ti以及电池温度Tb小于阈值Tk且大于阈值Tj时，设定校正系数C4为DD(C4＝DD)。这里DD是小于1的常数。在所有其它情况下，第四校正系数C4都设定为值1(C4＝1)。阈值Ti例如代表重整装置11的催化剂活化温度700摄氏度。阈值Tj例如是20摄氏度的温度。阈值Tk例如是40摄氏度的温度。
图8所示的映射图的特点在于，当重整装置11的温度小于预定温度Ti(例如，小于催化剂活化温度)并且电池18的温度在适当的温度区(由阈值Tj和Tk界定的温度区)时，校正燃料电池系统的响应特性，使得增加电池18的功率供应。这样例如当重整装置11的温度小于催化剂的活化温度时，校正系统的响应特性，使得与重整装置11的温度大于重整装置11的催化剂活化温度的正常工作条件相比，增加电池18的功率供应量。以这种方式，能够提供一种能够细化响应控制的燃料电池系统。
在步骤S9中，基于校正系数C1-C4和如上所述计算的基本响应时间Rtm，利用计算公式Rt＝Rtm/(C1×C2×C3×C4)计算燃料电池系统的最后响应时间Rt。以这种方式，通过计算更精确的响应系统时间Rt能够防止电池18的退化。这是基于重整装置温度Tr、环境温度Ta、电池的SOC、所需负载的大小La和变化量Lv通过校正系统的基本响应时间Rtm实现的。
在步骤S11中，根据步骤S9或步骤10中设定的响应时间Rt和负载变化率Lv从图9所示的图中选择一个图。控制器16基于所读取的图通过调节燃料流量控制阀23的开口控制燃料的流速。图9所示的图的集合存储在控制器16的存储器中。根据这些图，当响应时间Rt减小时，迅速增加提供给重整装置11的燃料、水和空气的供应量(流速)，如图9所示，响应时间Rt基本上表示直到燃料的供应量达到目标值的时间。这样当所计算的响应时间Rt减小时，控制器16通过控制提供给重整装置11的燃料流速加速产生提供给燃料电池12的含氢重整气体的目标流速。
在步骤S11中，也可以基于所设定的响应时间Rt通过控制流量控制阀29控制提供给燃料电池的重整气体量。这样控制器16可以根据上面计算的响应时间Rt控制提供给燃料电池的重整气体。根据响应时间Rt的减小，控制器16可以通过流量控制阀29加速实现提供给燃料电池的重整气体的目标流速。
上面的实施例涉及利用重整装置作为燃料电池氢源的燃料电池系统。在步骤S11，当省略重整装置并且使用充当燃料电池氢源的高压氢罐作为燃料罐10时，利用流量控制阀29通过控制器16控制提供给燃料电池的氢量。在这种情况下，根据在上面的实施例中计算的响应时间Rt的减小，控制器16加速实现从氢罐到燃料电池的氢气的目标流速。控制器16根据马达13所需的功率计算氢气的目标流速，并且在氢气的目标流速，燃料电池12可以产生马达13所需的功率。
此外，根据SOC的控制，当SOC极低时，当然能够提高燃料电池系统的响应速度。
这里把日本专利申请P2002-46260(2002年2月22日申请)的整个内容引作参考。
尽管上面参考本发明的特定实施例描述了本发明，但本发明并不限于上述实施例。在上面的教导下，对于本领域技术人员来说，会出现对上述实施例进行的修改和变化。本发明的范围参考下面的权利要求限定。
工业实用性
根据本发明的燃料电池系统可以用作电源，尤其作为安装在电动车辆上的电源，所述电动车辆配置有电动马达。

Claims (10)

1.一种燃料电池系统，该燃料电池系统与马达和可再充电电池连接，并且配置有燃料电池和给燃料电池提供含氢气体的含氢气体源，该燃料电池系统和可再充电电池给马达提供电力，该燃料电池系统包括：
第一温度传感器，用于检测可再充电电池的温度(Tb)，
负载传感器，用于检测马达所需的功率，和
与第一温度传感器和负载传感器相耦合的控制器，该控制器用于：
当检测到马达所需功率的变化时，根据检测到的可再充电电池的温度，计算燃料电池系统的响应时间(Rt，Rtm)；和
根据所计算的响应时间，控制对燃料电池的含氢气体的供应。
2.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，含氢气体源是重整装置，该重整装置给燃料电池供应重整气体，燃料电池系统的响应时间基本上等于重整装置的响应时间。
3.如权利要求2所述的燃料电池系统，进一步包括与所述重整装置连接的燃料罐和设置在燃料罐中用于调节供应给重整装置的燃料流速的燃料流量控制阀，
其中，控制器控制燃料流量控制阀的开口，以便响应于所计算的响应时间控制从重整装置供应给燃料电池的含氢气体。
4.如权利要求1所述的燃料电池系统，进一步包括功率控制电路，
其中，基于所检测的可再充电电池的温度，控制器通过功率控制电路控制供应给可再充电电池的功率和/或从可再充电电池释放的功率。
5.如权利要求1至4中任一项所述的燃料电池系统，进一步包括用于检测可再充电电池的充电状态的装置，
其中，控制器基于所检测的可再充电电池的充电状态进一步校正燃料电池系统的响应时间。
6.如权利要求1至4中任一项所述的燃料电池系统，其中控制器进一步检测负载变化(Lv)，并且基于所检测的负载变化(Lv)和负载大小(La)校正燃料电池系统的响应时间。
7.如权利要求1至4中任一项所述的燃料电池系统，进一步包括第三温度传感器，用于检测燃料电池系统外部的环境温度(Ta)，其中，控制器基于检测的环境温度校正燃料电池系统的响应时间。
8.如权利要求2所述的燃料电池系统，进一步包括第二温度传感器，用于检测重整装置的温度(Tr)，其中，控制器基于所检测的重整装置温度校正燃料电池系统的响应时间。
9.如权利要求1所述的燃料电池系统，其中，控制器包括存储器，该存储器中存储了规定了响应时间(Rtm)和可再充电电池的温度之间的关系的映射图，
其中，控制器基于该映射图计算响应时间，上述响应时间与温度的关系为：
在预定的电池温度(Tbmax)以下，响应时间随着电池温度(Tb)的增加而增加，在预定的电池温度以上，响应时间随着电池温度的增加而降低，在预定的电池温度，响应时间取得最大值，当电池温度接近最大可允许温度时，响应时间基本减小到零，以便增加燃料电池系统的响应速度。
10.一种用于控制燃料电池系统的控制方法，该燃料电池系统与马达和可再充电电池连接并且配置有燃料电池和给燃料电池供应含氢气体的含氢气体源，该燃料电池系统和可再充电电池给马达提供电功率，该控制方法包括：
检测可再充电电池的温度(Tb)，
检测马达所需的功率，
当检测到马达所需功率的变化时，根据检测的可再充电电池的温度，计算燃料电池系统的响应时间(Rt，Rtm)；和
根据所计算的响应时间，控制提供给燃料电池的含氢气体。
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