燃料電池系統及控制方法
2023-10-17 17:54:54
專利名稱：燃料電池系統及控制方法
技術領域：
本發明涉及燃料電池系統和相關的控制方法，並且具體地說涉及安裝在車輛上的燃料電池系統(例如燃料電池汽車或火車)，用於向一組電學負載供應電能，包括車輛驅動馬達和燃料電池堆的外圍設備，以及相關的控制方法。
背景技術：
日本專利申請特許公開申請第9-231991號已經公開了用於向包括驅動馬達和電池堆外圍設備的一組電學負載正常供應電能的燃料電池系統的技術。
為了應付在只允許產生降低電能的低溫條件下對燃料電池堆過多電能的需求，燃料電池系統被修改成向馬達供應充電電池(二次電池)的電能，控制低輸出發電的電池堆從那裡簡單地向可由低電流驅動的外圍設備和小負載供應電能。
發明內容
但是，在電池堆具有低溫條件的可能的大多數的情況中，電池也會有充電和放電性能降低的低溫情況。因此，電池中儲備的能量是有限的，結果不能向馬達供應充足的電能。
舉例來說，在完全預熱後的燃料電池車輛中，因為在寒冷的空氣中車輛停下來或者以低速行駛，電池以及電池堆可能經歷溫度下降。更不用說，在預熱期間電池堆的發電控制得較低，結果趨向於花費長的預熱時間。
甚至在以預熱的電池堆和電池行駛中，馬達可能需要低的電能，要求電池堆輸出低功率。對於電池，所需輸出也可能是低的。這種需求可能維持室外的低溫。因此電池堆和/或電池具有逐漸降低的溫度，從中可獲得的輸出同等地降低。
出於這種觀點考慮，做出本發明。因此，本發明的一個目標是提供一種燃料電池系統和相關的控制方法，其允許燃料電池和二次電池每個分別適應於向一組相關負載穩定地供應電能，甚至在系統完成起動後維持低輸出的條件下。
根據本發明的一個方面，燃料電池系統包括燃料電池、與燃料電池連接的電力分配器，以及與電力分配器連接的二次電池的組合、與電力分配器連接的負載組，以及控制器，在燃料電池的起動完成和二次電池預熱後，在從電力分配器向負載組分配電能期間，所述控制器在燃料電池不能滿足其服務的第一標準時升高燃料電池的溫度，並且在二次電池不能滿足其服務的第二標準時升高二次電池的溫度。
根據本發明的另一個方面，提供了一種燃料電池系統的控制方法，所述系統包括燃料電池、與燃料電池連接的電力分配器，以及與電力分配器連接的二次電池的組合、與電力分配器連接的負載組，該控制方法包括在燃料電池的起動完成和二次電池預熱後，在從電力分配器向負載組分配電能期間，在燃料電池不能滿足其服務的第一標準時升高燃料電池的溫度，並且在二次電池不能滿足其服務的第二標準時升高二次電池的溫度。
當結合附圖閱讀時，本發明的上述和其它目標，以及其功能和作用將從下面實施本發明的最佳方式變得完全明顯。
圖1是根據本發明實施方案的燃料電池系統的示意方框圖。
圖2是圖1燃料電池系統的詳細方框圖。
圖3是圖1燃料電池系統的燃料電池堆控制過程的流程圖。
圖4是圖1燃料電池系統的電池控制過程的流程圖。
圖5是具有根據本發明另一個實施方案的燃料電池系統的燃料電池車輛的縱向剖視圖。
圖6是圖5燃料電池系統的電池控制過程的流程圖。
圖7是圖5燃料電池系統的電池另一個控制過程的流程圖。
具體實施例方式
下面參照附圖詳述本發明優選的實施方案。相同的元件由相同的參考符號表示。
第一實施方案參考圖1至4，有時參照圖5，作為最佳方式，說明根據本發明第一實施方案的燃料電池系統FS。
(燃料電池系統)圖1是燃料電池系統FS的方框圖，並且圖2是具有基本電路的同一個圖的詳圖。圖5是燃料電池車輛V的縱向部分，在其上面安裝了根據本發明第二實施方案的燃料電池系統FSr，該系統被配置為第一實施方案的燃料電池系統FS與一組後面描述的附加元件(例如電池室冷卻空氣扇72和回氣閥74)的組合。
燃料電池系統FS具有燃料電池堆1(圖1，2，5)，被配置成用從氫氣供應2(圖1)供應的氣態燃料Fg(圖1，2)和從空氣供應3(圖1)供應的氣態氧化劑Og(圖1，2)產生並供應電能的電能供應裝置。
燃料電池系統FS被安裝在作為燃料電池電動馬達驅動的汽車的車輛V(圖5)上，並且藉助其電能供應線SL(圖1，2)，燃料電池堆1正常適於向車輛中的整個相關電學負載組WL(圖1)供應足夠的電能。整個負載組WL被分成作為系統FS內部負載(下文有時統稱為「內部負載」)IL(圖1，2)的電池堆外圍設備組(例如氫氣供應2、空氣供應3、冷卻劑和熱介質(下文中簡稱「冷卻劑」)Wc的再循環管線L4、未顯示的純水供應線、電力分配器4，以及圖1-2的系統控制器8)；及相對於系統FS，作為外部負載(下文有時統稱為「外部負載」)EL(圖1，2)的車輛組件組(例如作為主要負載的驅動馬達5、圖1-2的加熱器6，以及圖5的空調65)。
內部負載IL和某些外部負載(例如加熱器6和帶有散熱器和風扇的空調65)用於支持電池堆1的操作，因此在本發明中使用時，它們有時被稱作「輔助設備」。注意使用加熱器6來加熱再循環管線L4的冷卻劑Wc，並且在某種意義上其組成內部負載IL。所述輔助設備被分成作為主要或者相對可變的內部負載(即圖2的空氣壓縮機15)工作的第一類型；作為次要或者相對不可變的內部負載(即空氣壓縮機15以外的內部負載IL，例如冷卻劑Wc的泵16、散熱器18的冷卻扇19、電力分配器4的反相器)工作的第二種類型；用作向電池堆1供應熱的外部負載(即加熱器6)的第三種類型；用作向電池7供應熱的外部負載(即空調65)的第四種類型。
外部負載EL分成主要或者有影響的負載(下文簡稱「負載」)5(圖1，2)，其在本實施方案中指用來驅動車輛V的驅動馬達(在圖5的馬達外殼50中安裝)，但是可以附加覆蓋其它；一組構成輔助設備的一部分的電池堆或電池加熱元件(即加熱器6和空調65)；及一組耗電的其它元件，作為外部負載EL的一部分。
電池堆1是層狀單元電池和作為框架部件的電池隔板的層疊體。每個單元電池在相鄰的隔板之間形成膜電極組件MEA(圖2)，並且配備一對相對的氫氣和空氣電極1a，1b(圖2)，以及位於電極1a，1b之間的固體高聚物電解質膜1c(圖2)。
為了發電，用幹的或者加溼的氫氣作為燃料Fg供應氫氣電極1a，並且用包含氧氣的幹的或者加溼的空氣作為氧化劑Og供應空氣電極1b。每個電極1a，1b可以按照需要通過作為冷卻劑Wc(圖2)供應給每個電池隔板中的冷卻劑管道1d(圖2)網絡的水來冷卻(或加熱)。
注意對於電池堆1的外部連接，每個電極1a或1b(以及任何相關的流體路徑或檢測信號導線)被連接到，並且為如圖2所示的共用的(在並聯情況中)、端點的(在串聯情況中)，或者典型的(在信號的情況下)連接，例如(端點)陽極連接1f，及(端點)陰極連接1g；(典型的)溫度信號連接1h；及(共用)燃料供應連接1p，(共用)空氣供應連接1q，(共用)冷卻劑供應連接1r，(共用)未用燃料收集連接1s，(共用)廢氣收集連接1t和(共用)冷卻劑收集連接1u。
如圖2所示，氫氣供應2包括與氫氣罐11連接的氫氣供應管線L1，所述管線L1具有氫氣壓力控制閥12和一組安裝在壓力控制閥12下遊的噴射器13。壓力控制閥12具有閥動器14，作為由來自系統控制器8(圖1，2)的一組流體控制命令(下文統稱為「流體控制命令」或者簡稱「命令」)CTf的相應命令控制的打開調節器。噴射器組13也可以由流體控制命令CTf來控制。
沿著供應管線L1，通過控制其壓力的控制閥12，並且通過與藉助返回管線L2從氫氣收集連接1s返回的未用氫氣相伴隨的噴射器組13(圖2)，儲存在罐11中的高壓氫氣被作為燃料Fg供應給每個氫氣電極1a。未用燃料收集連接1s具有通過流體控制命令CTf控制的，從而在需要時進行電池堆1氫氣淨化的淨化閥(未顯示)。
如圖2所示，空氣供應3包括與適於壓縮大氣的空氣壓縮機15連接，輸送壓縮空氣的空氣供應管線L3。所述空氣在控制的壓力下，以控制的流速作為氧化劑Og供應給每個空氣電極1b，因此，流體控制命令CTf控制馬達的rpm(每分鐘轉速)和壓縮機15的轉矩。空氣收集連接1t具有空氣壓力控制閥(未顯示)，其打開也由流體控制命令CTf來控制。
如圖2所示，電池堆1提供有用來再循環冷卻劑Wc通過電池堆1的冷卻劑再循環管線L4。再循環管線L4包括冷卻劑再循環泵16、帶有冷卻扇19的散熱器18，以及可以繞過散熱器18，進入旁路通道操作的三通閥17，其中冷卻劑Wc可以通過加熱器6直接或者間接地加熱。流體控制命令CTf控制泵16的開-關轉換，輸送流和壓力，以及閥17的埠選擇和風扇19的rpm，從而調節冷卻劑Wc的溫度。
上述四個流體管線L1至L4都與電池堆1相關，並且可以具有各自的管線閥，例如供應總管、電磁關閉閥和安全閥，以及各種管線控制，所述閥也可以由流體控制命令CTf控制。電池堆1具有其自身的外圍設備(包括四個流體管線L1至L4)，每個都可以由一組電池堆外圍控制命令(下文統稱「外圍控制命令」或者簡稱「命令」)CT1(圖2)分別控制，使得命令CT1 命令CTf。
燃料電池系統FS包括以下組合作為用於電能儲備的二次電池或者作為用於電能蓄積的蓄電池的電池7；以及安裝在電池堆1的供電管線SL中並且全部由控制器8的電力分配器控制命令CT2(圖2)控制的電力分配器4(圖1，2)。注意電能等於電功率的時間積分。如果電池堆1的供電不足以分配，電力分配器4使電池7放電，取出儲備的電能。
在控制器8的控制下，配置電力分配器4和電池7的組合，在某種意義上用作以蓄積的方式泵取能量(或者供能的電子)的能量泵EP(圖1，2)，其允許延遲或者定時控制的能量供應具有線性或非線性的數量變化。
為了有效地服務，電池7可以具有I/O(輸入/輸出)電路或者安裝在大量並聯電池堆單元裝置及其一對正極(+)和負極(-)接線端之間的並-串聯轉換連接，並且適於通過來自控制器8的電池控制命令CT3(圖2)來控制，從而分別改變充電/放電電流和/或(+)接線端上和/或(+)和(-)接線端之間的電壓。
電力分配器4具有大量具有(+)或(-)極性的接線端L，例如與電池7相連的(+)和(-)接線端對、用於向外部負載EL配電的共用(-)線的(-)接線端、共用(+)線的(+)接線端，以及用於向內部負載IL配電的共用(+)線的(+)接線端。
電力分配器4控制能量流動的交往，從而從電池堆1按照需要向內部負載IL(具有流體管線L1至L4的電池堆外圍設備、控制器8、電力分配器4自身、電池I/O電路或者如果需要，轉換連接等)和外部負載EL(負載5、加熱器6、空調65等)分配供應的能量，同時在電池7中儲備過剩的能量。
對於內部負載IL通過三個控制命令CT1至CT3相應的一個，或者通過一組外部負載控制命令(下文統稱「外部負載控制命令」或者簡稱「命令」)CTe(圖2)中相應的一個命令來分別控制單獨向內部或者外部負載IL或EL供電。
如圖2所示，燃料電池系統FS具有檢測相關系統組件、流體和車輛組件的電流狀況的檢測系統DS，例如電池堆1的工作狀況，包括通過陰極連接1g的輸出電流Io、陽極和陰極連接1f，1g之間的輸出電壓Vo，以及作為電池堆1典型溫度Tr(或者作為冷卻劑Wc溫度)的電池堆溫度Ts；包括流體管線L1至L4的電池堆外圍設備的工作狀況；電力分配器4的工作狀況；電池7的工作狀況，包括SOC(充電狀態)、作為電池7典型溫度的電池溫度Tb、代表電池室C4中(圖5)電池殼70(圖5)內環境空氣或電池7溫度的大氣溫度To(圖5)，以及(如果需要)電池7(+)端的充電/放電電流和/或(+)和(-)端之間的充電/放電電壓；外部負載EL的工作狀況，包括代表裝有空調65的車輛V的乘客室PR(圖5)中空氣溫度的室溫Ti(圖5)；及車輛組件，例如調速踏板、點火開關，以及車輛控制器的操作或者工作狀況。
檢測系統DS具有必要的檢測器，如圖2和圖5所示，例如檢測電池堆1的輸出電流Io，提供電流Io的檢測信號SA的電流檢測器20；檢測電池堆1的輸出電壓Vo，提供電壓Vo的檢測信號SV的電壓檢測器21；檢測電池堆溫度Ts，提供代表溫度Ts的檢測信號ST的溫度檢測器22；一組檢測元件(未顯示)，用來檢測電池堆外圍設備的工作狀況，提供代表這些狀況的一組電池堆外圍設備檢測信號(下文統稱「外圍設備檢測信號」)SG1，包括一個檢測元件，用於檢測四個流體管線L1至L4的工作狀況，提供代表這些狀況的一組流體管線檢測信號(下文統稱「流體管線檢測信號」)SGf，從而有檢測信號SG1 SGf；一組內建檢測元件(未顯示)，檢測電力分配器4的工作狀況，提供代表這些狀況的一組電力分配器檢測信號(下文統稱「電力分配器檢測信號」)SG2；電池狀況組合檢測器23(圖2，5)和大氣溫度檢測器90(圖5)，用來檢測SOC、電池溫度Tb、大氣溫度To，以及(如果需要)電池7(+)端和(-)端的充電/放電電流和/或(+)和(-)端之間的充電/放電電壓，提供代表這些狀況的電池檢測信號SG3；一組不同的檢測元件(包括圖5中室溫傳感器66)，檢測外部負載EL的工作狀況(包括對室溫Ti的熱影響)，提供代表這些狀況的外部負載檢測信號SGe；及一組必要的檢測器和接口(包括調速踏板角度傳感器、點火開關傳感器、車速傳感器，以及與車輛控制器接口)，檢測車輛組件的操作或工作狀況，或者接收車輛V的控制數據，獲得作為外部負載檢測信號SGe一部分來傳輸並處理的車輛信息。
電流Io的檢測信號SA、電壓Vo的檢測信號SV，以及溫度Ts的檢測信號ST有時在本文中統稱為「電池堆檢測信號」。
明顯地，電池7的I/O電路或者轉換連接可以從電池7移到電力分配器4上。在此情況下，來自控制器8的電池控制命令CT3包含在電力分配器控制命令CT2中，並且電力分配器檢測信號SG2取自電池檢測信號SG3，並且包含電池7在(+)端和/或(+)和(-)端之間的充電/放電電流和/或充電/放電電壓的信息。
就此而言，電力分配器控制命令CT2和電池控制命令CT3在本文中有時統稱為「能量泵控制命令」，並且電力分配器檢測信號SG2和電池檢測信號SG3在本文中有時統稱為「能量泵檢測信號」。
燃料電池系統FS整體由系統控制器8控制，控制器8配備為具有微型計算機、存儲器、接口等的數據處理器。具有必要控制程序、表格和存儲在其存儲器中的數據的控制器8進一步在其中存儲各自的接口數據，包括電池堆檢測信號(SA、SV、ST)、外圍設備檢測信號SG1(包括流體管線檢測信號SGf)、EP(能量泵)檢測信號(SG2、SG3)，以及外部負載檢測信號SGe的數據；及執行讀出程序，按照計算、判斷的需要處理這些數據和/或命令，提供外圍設備控制命令CT1(包括流體管線控制命令CTf)、EP(能量泵)控制命令(CT2、CT3)和/或外部負載控制命令CTe，從而控制電池堆1的發電和能量流交往，以及能量泵EP處的能量積累，使兩者適於整個負載組WL(即內部負載IL和外部負載EL)所需的供電。
可以看出用電池堆1的電能供應的能量泵EP(作為電池7和電力分配器4的組合)(即EP+1＝1+4+7)以蓄能的方式構成作為電源，用於向整個負載組WL作為電能供應電能的電能供應ES(圖1，2)。
換句話說，在燃料電池系統FS中能量供應ES配備燃料電池(1)、與燃料電池(1)連接的電力分配器(4)，以及與電力分配器(4)連接的二次電池(7)；並且為了高效地預熱能量供應(ES)，以及向整組負載(WL)配電，從控制器(8)控制電力分配器(4)。
注意電池堆1、電力分配器4及電池7的組合(1+4+7)作為電源工作，但是為了與在內部用作電源的電池堆1區分，在本文中被稱作「能量供應」ES。
為了在系統起動中控制能量供應ES，控制器8提供電池堆外圍設備控制命令CT1和EP控制命令CT2+CT3，該組合有時稱作「ES(能量供應)控制命令」(CT1+CT2+CT3)，等於IL(內部負載)控制命令。
因此，在起動中，檢測系統DS檢測電池堆1及其外圍設備，提供電池堆檢測信號(SA、SV、ST)及外圍設備檢測信號SG1，並且檢測能量泵EP，提供EP檢測信號SG2+SG3。所有這些信號(SA、SV、ST、SG1、SG2、SG3)統稱為「ES(能量供應)檢測信號」，它是電池堆檢測信號(SA+SV+ST)和IL(內部負載)檢測信號(SG1+SG2+SG3)的組合。
注意ES檢測信號包括EL(外部負載)檢測信號SGe，並且ES控制命令包括EL(外部負載)控制命令CTe，特別是在正常操作中，部分發的電能被分配給整個負載組，舉例來說包括驅動馬達(5，圖2)大約60％或更多、空調(65，圖5)大約2％、空氣壓縮機(15，圖2)大約1％或更少、冷卻劑泵(16，圖2)大約0.4％，以及例如前燈、刮水器、掃霧器、無線電等的電器約0.5％。
配置系統控制器8作為(內部-ES或者ES-外部)管理器或控制器，執行在燃料電池系統FS起動中控制待完全預熱的電池堆1和電池7組合的「預熱控制」，特別是在低溫條件下，通過在電池堆1中連續或者脈衝發電，伴隨著電池堆自身熱量的補償耗散，並且通過在電池7同時重複充放電循環，也伴隨著電池堆自身熱量的耗散；及特別是在低溫條件下，按照在系統起動後循環控制CP的每個時間間隙的需要，執行性能保障正常控制CP(圖3-4)，編程來控制能量供應ES正常操作，同時保障其能量供應性能，其包括兩個集中的控制程序「電池堆溫度控制」CF1(圖3)，用於為了增加自身熱量的耗散，通過增加電池堆1的發電，直至可能的發電Gp(圖3的步驟S3)來保持電池堆的溫度Ts在閾值Th1之上(圖3的步驟S2)，在負載5消耗所需的電能，以及在也產生熱量的輔助設備處消耗額外的電能；及「電池溫度控制」CF2(圖4)，用於為了增加自身熱量的耗散，通過使電池7放電(圖4的步驟S19)或充電(圖4的步驟S25)來保持電池的溫度Tb在閾值Th2之上(圖4的步驟S12)，同時運轉電池堆1和負載5，並且在也產生熱量的輔助設備處消耗額外的電能。
(電池堆溫度控制)現在，參照圖3說明燃料電池系統FS的電池堆溫度控制CF1。
在步驟S0中，性能保障正常控制CP流程進入電池堆溫度控制FC1，並且進行至步驟S1。
在步驟S1中，採樣獲取並存儲電流CP循環的電池堆溫度Ts。CP流程從步驟S1進行至判斷步驟S2。
在步驟S2中，比較電池堆溫度Ts與閾值Th1，判斷是否Ts≤Th1。閾值Th1對應於判斷在系統起動中從電池堆1向負載5開始供電，或者判斷起動中電池堆1預熱完成的Ts閾值。
如果Ts≤Th1，判斷為『YES』(電池堆1需要升溫)，CP流程從步驟S2進行至後連續的步驟S3至S7。如果不滿足Ts≤Th1，判斷為『NO』(電池堆1不需要升溫)，CP流程從步驟S2進行至步驟S8，退出電池堆溫度控制FC1。
該連續步驟S3至S7對應於控制CF1的核心部分，其中按照需要檢查電池堆1和負載組WL(負載5和輔助設備)的狀況，估計電池堆1的可能發電Gp(步驟S3)，以及負載組WL，特別是輔助設備的可能消耗(步驟S4至S7)，其中在不會影響車輛V的運動下增加電能消耗。在負載5(作為電能消耗最高的驅動馬達)情況下，在負載5的輸出不顯著變化的情況下改變電能消耗是困難的。對於當前的發電，估計目標發電Gt(步驟S8)，作為實現當前循環中電池堆1的可能發電Gp要增加的增量。
在步驟S3中，做出估計，確定可能發電Gp，為此估計出對應於步驟S1中採樣的電池堆溫度Ts的電流(Io)對電壓(Vo)的特性曲線。對於基於系統FS電路系統的最大電流Io，Io-Vo曲線給出相應的電壓Vo，允許確定可能發電Gp為發電的上限。可以在存儲器中作為格式化的實驗數據預先存儲所述曲線，根據採樣獲取電池堆溫度Ts來讀出，或者作為溫度Ts與氣體供應壓力的函數來確定。
在步驟S4中，在估計其可能的增加之前，檢測第三種類型的輔助設備(即加熱器6)對於相對當前工作狀況電能消耗增加有效的允許性能。舉例來說，如果加熱器6停止服務，起動其操作，從而增加電池堆1的發電而不影響車輛V的驅動力。
在步驟S5中，在估計其可能的增加之前，檢測第四種類型的輔助設備(即空調65)對於相對當前工作狀況電能消耗增加有效的操作方式。舉例來說，如果空調65停止服務，起動其操作，增加電能消耗。即使空調65已經在服務，在估計其可能的增加之前，也檢查對於調節送給乘客室PR的空氣可控制的操作方式，從而增加電能消耗。
在步驟S6中，在估計其可能的增加之前，檢查第一種類型的輔助設備(即空氣壓縮機15)對於相對當前工作狀況電能消耗增加有效的工作點範圍。舉例來說，在估計電能消耗可能的增加之前，檢查空氣供應3以及燃料供應2對於增加有效的對電池堆1的供應流範圍和/或其流體壓力，從而增加壓縮機15的電能消耗。
在步驟S7中，因為在當前循環中需要目標發電Gt和當前發電的和不超過步驟S3中估計的可能發電Gp，所以採用步驟S4至S6中估計的各自電能消耗的可能增加的和來確定其總量，基於該總量作為要增加到當前發電上的目標發電Gp的估計上限。
換句話說，如果電能消耗的可能增加和當前發電的簡單總和超過可能發電Gp，適當調整電能消耗(在加熱器6、空調65和壓縮機15處)的可能增加，使其滿足設置為目標發電Gt的總和。當電能消耗的可能增加和當前發電的簡單總和不超過可能發電Gp時，設備目標發電Gt為所述簡單總和。
因此，根據設置的目標發電Gt控制燃料供應2和空氣供應3，並且控制輔助設備(在加熱器6、空調65和壓縮機15處)，消耗相應的電能。在如此增加的發電和相應的電能消耗情況下，控制電池堆1具有升高或者維持的電池堆溫度Ts。
在步驟S2中，通過在燃料返回管線L2的未使用燃料收集連接1s下遊實施的燃料淨化的頻率，做出升高或者維持的電池堆溫度Ts的判斷。
典型地當電池堆1的單元電池已經分散了電壓，使得一些電池比其它電池具有較低電壓時，為了相對例如由於冷凝的溼氣或增加的溼氣濃度引起的燃料供應狀況的變化而維持電池堆1的發電特性，通過以燃料供應及返回管線L1和L2的溼氣排放速度排放部分再循環的燃料，實施燃料淨化。這部分因為在電池堆1的流道產生了冷凝水，其中用於發電的反應膜由於塗敷了冷凝水，其有效面積降低，這就導致發電性能降低。
隨著淨化(冷凝水排放需求)頻率的增加，流道中的冷凝水典型地趨向於在溫度低的位置發生，這就意味著電池堆溫度Ts可能降低。
因此，在第一實施方案的修改方案中，為了在步驟S2中通過與閾值比較而做出判斷，在步驟S1測量淨化頻率並且採樣。對於過高的淨化頻率，判斷電池堆溫度Ts低至需要增加發電來升高溫度，CP流程進行至步驟S3。
所述修改與第一實施方案良好結合提供了另一個修改方案，其中在步驟S1中採樣獲取電池堆溫度Ts和淨化頻率，並且通過其間的OR(邏輯和)操作在步驟S2中檢查判斷，進行至步驟S3。
(電池溫度控制)現在，參照圖4說明燃料電池系統FS的電池溫度控制CF2。
在步驟S10中，CP流程進入電池堆溫度控制FC2，並且進行至步驟S11。
在步驟S11中，採樣獲取並存儲電流CP循環的電池溫度Tb。CP流程從步驟S11進行至判斷步驟S12。
在步驟S12中，比較電池溫度Tb與閾值Th2，判斷是否Tb≤Th2。閾值Th2對應於判斷在系統起動中從電池7向負載5開始供電，或者判斷起動中電池7預熱完成的Tb閾值。
如果Tb≤Th2，判斷為『YES』(電池7需要升溫)，CP流程從步驟S12進行至連續的步驟S13至S15。如果不滿足Tb≤Th2，判斷為『NO』(電池7不需要升溫)，CP流程從步驟S12進行至步驟S26，退出電池溫度控制FC2。
該連續步驟S13至S15對應於控制CF2的核心部分，其中電池7通過充電或者放電，即通過控制電池堆1產生大於負載5所需電能的電能，從而使過剩的產生電能充入電池7的充電過程，或者通過控制電池堆1產生小於負載5所需電能的電能，從而通過從電池7的放電修正產生的電能平衡的放電過程，電池7具有升高或者維持的溫度。為了連續地充電或者放電，周期性重複充電或放電過程，伴隨著電能的損失，從而升高或者維持電池溫度Tb。在圖4中，在這種充電或放電之後，CP流程進行至步驟S11，但要理解其可以改變成進行至步驟S26。
在步驟S13中，判斷電池7是否需要充電或不需要(即放電)。為了判斷，採樣獲取電池7當前的SOC。如果所述SOC大於閾值，判斷為『NO』(電池7放電)，CP流程進入包括連續步驟S14至S19的放電模式。如果SOC不大於閾值，判斷為『YES』(電池7充電)，CP流程進入包括連續步驟S20至S25的充電模式。
對於第二實施方案的修改方案，在步驟S13的第一次判斷中，在連續的正常操作後，例如在所述對SOC的判斷後在充電和放電模式之間選擇，假定在電池溫度Tb升高或維持的判斷後，在步驟S13的第二次或者隨後次數判斷時，充電和放電模式之間的選擇取決於連續相同模式的總持續時間是否超過閾值的判斷。如果連續放電模式的總持續時間超過閾值，CP流程進行至充電模式。相反，如果連續充電模式的總持續時間超過閾值，CP流程進行至放電模式。
另外，在閾值時間消逝前的連續放電模式期間，如果檢測出電池7不能放出修正電能平衡所需的電能，CP流程可以進行至充電模式。同樣，在閾值時間消逝前的連續充電模式期間，如果檢測出電池7不能用產生的過量電能充電，CP流程可以進行至放電模式。
如果在步驟S13中選擇放電模式，CP流程進行至步驟S14，估計電池7的可能放電Dp。在電池可能活性不足的低溫條件下，電池7的放電性能降低。電池7可放出的電能也取決於SOC。如果SOC高，可能放電Dp大。隨著放電，SOC降低，並且可能放電Dp降低。因此，在步驟S14中，為了估計的可能放電Dp，採樣獲取當前電池溫度Ts和電池7的當前SOC。可能放電Dp可以從存儲的描述其與電池溫度Tb及SOC組合關係的實驗數據圖中讀出，或者通過存儲的這種關係的表達式來確定。CP流程從步驟S14進行至步驟S15。
在步驟S15中，通過組合第二種類型(即最小內部負載IL，包括冷卻劑再循環泵16、流體管線驅動器和傳感器，以及控制器電源)、第三種類型(即加熱器6)，以及第四種類型(即空調65)的輔助設備，估計確定當前的電能消耗W1。舉例來說，從流速命令(CTf)等計算冷卻劑Wc的再循環泵16的當前電能消耗。CP流程從步驟S15進行至步驟S16。
在步驟S16中，通過第一種類型輔助設備(即壓縮機15)來估計確定當前電能消耗W2。基於在步驟S14中估計的電池7的可能放電Dp以及在步驟S15中估計的輔助設備電能消耗W1，做出另外的估計，確定電池堆1相關的發電，為此供應的空氣具有通過壓縮機15的相應操作而實現的相應流速和壓力的組合，其通過計算壓縮機15的電能消耗W2來確定。CP流程從步驟S16進行至步驟S17。
在步驟S17中，通過負載5(即驅動馬達)做出估計，確定當前的電能消耗W3。為了所述估計，處理當前包括車速Vs(圖5)和調速踏板角度的車輛信息，計算馬達上的需要的驅動轉矩和馬達所需的電能消耗。CP流程從步驟S17進行至步驟S18。
在步驟S18中，假定當前總電能消耗(W1+W2+W3在包括壓縮機15和負載5的第一至第四種類型的輔助設備處)主要由電池7的放電來供應(即只要可能)，通過電池堆1的發電G來補充平衡，從而估計確定電池堆1要實現的發電G。CP流程從步驟S18進行至步驟S19。
在步驟19中，控制氫氣供應2和空氣供應3，從而操作電池堆1，簡單地用於步驟S18中確定的發電G，並且同時控制電力分配器4，使得從電池7向輔助設備和負載5組合供應在步驟S14中確定的與可能放電Dp等量的電能，優選從電池7而不是電池堆1，從而由於電池7的放電促進了自身熱量的耗散。CP流程從步驟S19進行至步驟S11。
在步驟S13中選擇充電模式的情況中，CP流程進行至步驟S20，其中基於要採樣獲取的當前電池溫度Ts和電池7當前的SOC，估計電池7的可能充電Cp。可能充電Cp可以從存儲的描述其與電池溫度Tb和SOC組合關係的實驗數據圖中讀出，或者通過存儲的這種關係的表達式來確定。
CP流程從步驟S20進行至連續的步驟S21至S23，其中與步驟S15至S17相同，做出計算估計，確定包括壓縮機15的輔助設備的當前電能消耗W1和W2，以及負載5的前電能消耗W3。CP流程從步驟S23進行至步驟S24。
在步驟S24中，做出估計，確定電池堆1要實現的發電G，作為對電池7可能充電Cp與包括壓縮機15的輔助設備和負載5的當前總電能消耗(W1+W2+W3)的總和(Cp+W1+W2+W3)。CP流程從步驟S24進行至步驟S25。
在步驟S25中，控制氫氣供應2和空氣供應3，從而操作電池堆1，用於步驟S24中確定的發電G，並且同時控制電力分配器4，使得從電池堆1向輔助設備和負載5供應必需的電能(W1+W2+W3)，並且從電池堆1向電池7供應在步驟S20中確定的與可充電Cp等量的剩餘電能，從而促進電池7自身熱量的耗散。CP流程從步驟S25進行至步驟S11。
隨著循環正常控制CP，每個循環重複電池溫度控制FC2，伴隨著電池按照需要充電或放電，從而電池溫度Tb升高至足以使電池7維持充電和放電性能。
(第一實施方案的作用)根據所述第一實施方案，其中在起動從預熱的能量供應ES向整個負載組WL供應電能後，繼續性能保障正常控制CP，對於電池堆1降低的可能發電Gp，升高電池堆的溫度Ts，並且對於電池7降低的可能充電Cp或者可能放電Dp，升高電池溫度Tb，能量供應ES甚至在低溫條件或者甚至在抑制電池堆1和電池7自身熱耗散維持的低輸出條件下，也能適於穩定地向負載5供應電能。
根據所述實施方案，控制支持電池堆1發電的輔助設備，消耗增加的電能，並且通過增加電池堆1的發電來補充這種電能的增加，從而增加了電池堆1自身的熱耗散，使得可以升高電池堆溫度Ts而不會影響車輛V的驅動力。
另外，增加作為輔助設備的空氣壓縮機15的電能消耗，升高供應給電池堆1的空氣壓力，並且控制氫氣供應2，從而提供在電池堆1中高聚物膜兩側供應的小的氣體壓力差，使得通過等量增加空氣壓力可以增加燃料供應壓力，從而允許燃料淨化的速率增加，並且淨化作用增強。
此外，增加作為輔助設備的空氣壓縮機15的電能消耗，從而增加空氣供應壓力，使電池堆1中的空氣流增加，並且容易排放電池堆1的氣體通道中殘留的產物水。
根據所述實施方案，甚至在系統起動後的持續低輸出條件下，在確保發電Gp降低性能的檢測下，基於電池堆溫度Ts，也能判斷電池堆1降低的可能發電Gp。
根據基於淨化頻率判斷電池堆1的可能發電Gp的所述實施方案的修改方案，提供了如下優點冷凝水趨向於在電池堆1的低溫位置發生，這意味著伴隨著增加的淨化頻率電池堆溫度Ts降低，從而簡化了判斷的結構，因此消除了複雜的操作和額外的安排。
第二實施方案現在，參照圖5至7，根據本發明的第二實施方案說明燃料電池系統FSr。燃料電池系統FSr配置為第一實施方案中的燃料電池系統FS(圖1-2)與下述附加元件(圖5)的組合。
圖5在示意剖面上表示了其中安裝了燃料電池系統FSr的燃料電池車輛V。圖6和7說明了相關的控制過程CF3和修改的控制過程CF4，每個分別作為第一實施方案的性能保障正常控制CP的一部分。
(燃料電池車輛)燃料電池車輛V配備安裝了前後板ST1和ST2的縱向乘客室PR，具有前室C1和前輪FW的前面部分、具有位於前後輪FW及RW軸之間的中前室C2和中後室C3的中下部分，以及具有後室C4和後輪RW的後面部分。
乘客室PR由前面擋風玻璃61、後面擋風玻璃62、在其間延伸的頂蓬部件63，以及地板部件、門部件，以及必要的支柱和壁部件組合來定義。
乘客室PR具有在其前端，加熱作為介質的冷卻劑Wc的加熱器6(圖2)、結合中車輛控制器中的系統控制器8、用於檢測乘客室PR典型室溫Ti的傳感器66、空調65，以及未顯示的調速踏板和調速踏板角度傳感器的組合；及在其尾部，乘客室PR和後室C4之間水平分隔的突起隔板，其隔板1用一對配置用於乘客室PR和製造在後室C4中的電池殼70內部之間空氣流通的前後艙門71和73形成。
前艙門71中安裝了空氣扇72，並且由控制器8控制，從乘客室PR向電池殼70內吹空氣，從而維持其中安裝了電池檢測器23的電池7的代表溫度Tb(在預定的範圍內)。通常，當電池溫度Tb超過其閾值時，操作風扇72冷卻電池7。
後艙門73用作空氣從電池殼70的內部返回乘客室PR的艙門，並且其中安裝了截止閥74，並且由控制器8控制正常關閉艙門73。可以除去截止閥74。
前室C1中安裝了覆蓋住車輛V主要驅動馬達的電動機殼50、從前面引入大氣的前面柵欄51，以及用於中前室C2空氣流通的後艙門52。
中前室C2中安裝了燃料電池堆1、用於和車輛V外空氣流通的底部柵欄53，以及用於中後室C3空氣流通的後艙門54。
中後室C3中安裝了氫氣罐11、與外面空氣流通的底部柵欄55，以及用於和後室C4前面艙門80流通空氣的後艙門56。
在後室C4中，所述電池殼70具有和前面開口80空氣流通的前柵欄57。電池殼70和後室C4可以具有與外面空氣流通的後艙門。
後室C4的前面開口80具有與外面空氣流通的底部艙門，其中安裝了溫度傳感器90，用於檢測大氣溫度To，作為隨著車輛V以車速Vs行駛而變化的電池環境溫度。
(控制過程)性能保障正常控制CP包括在判斷出由於低於其閾值的降低的電池溫度Tb引起電池7具有低於其閾值的降低的性能後，通過操作風扇72，藉助艙門71將乘客室PR中調節了溫度的空氣引入電池殼70中而升高電池溫度Tb的風扇控制過程CF3。
正常控制CP流程進行至步驟S30(圖6)的控制過程CF3，並且進行至步驟S31。
在步驟31中，採樣獲取當前大氣溫度To。CP流程從步驟S31進行至步驟S32。
在步驟32中，採樣獲取當前乘客室溫度Ti。CP流程從步驟S32進行至判斷步驟S33。
在步驟S33中，判斷是否To＜Ti，如果To＜Ti，判斷為『YES』，CP流程從步驟S33進行至步驟S34。如果不滿足To＜Ti，判斷為『NO』，CP流程從步驟S33進行至步驟S35，退出控制過程CF3。
在步驟S34中，做出估計，確定風扇72驅動馬達的目標轉矩，並且在控制的目標轉矩功率下操作所述風扇72，使得電池溫度Tb從大氣溫度To逐漸升高至，或者維持在從乘客室PR引入的空氣的溫度(接近Ti)。CP流程從步驟S34進行至步驟S35。
在本實施方案中，代替大氣溫度To，可以在步驟S31中採樣獲取電池溫度Tb，並與室溫Ti比較，在S33中進行相似的判斷。
現在說明具有修改控制過程CF4(圖7)的第二實施方案的修改方案，其中第二實施方案的步驟S34(圖6)被修改成步驟S41至S43的組合(圖7)，其中在步驟S33的判斷為『YES』後，CP流程進行至步驟S41。剩餘步驟S30至S33和S35(圖7)與第二實施方案中的步驟(圖6)相同。
在步驟S41中，計算室溫Ti的變化率dTi，作為在當前循環中採樣獲取的室溫Ti和在前一循環採樣獲取的溫度Ti之間的差值。CP流程從步驟S41進行至判斷步驟S42。
在步驟S42中，判斷是否dTi≤Th3(閾值)。如果dTi≤Th3，判斷為『YES』，CP流程從步驟S42進行至步驟S43。如果不滿足dTi≤Th3，判斷為『NO』，CP流程從步驟S42進行至步驟S45，退出控制過程CF4。
在步驟S43中，以抑制風扇行為的方式計算風扇驅動馬達的目標轉矩，並且在控制的目標轉矩功率下操作所述風扇72。也在此情況下，當大氣溫度低於室溫Ti(步驟S33)時，從乘客室PR向電池殼70中引入調節的空氣。
但是，為了維持乘客室PR的舒適性，通過避免(步驟S42中的『NO』)從乘客室PR向電池殼70中過度傳送調節的(加熱的或預熱的)空氣，其會導致室溫Ti的過度降低或者延遲升高，控制室溫變化(dTi)在範圍(Th3)內。
此外，在本實施方案中，當風扇72的驅動馬達的目標轉矩大於其閾值時，艙門73中的截止閥74保持打開，從而允許電池殼70中引入的空氣藉助艙門73返回乘客室PR，引起調節空氣在兩者之間的再循環。
CP流程從步驟S43進行至步驟S35，退出控制過程CF4。
(第二實施方案的作用)根據所述第二實施方案，當電池7具有降低的充電和放電性能時，比較對應於電池溫度Tb的大氣溫度To與乘客室的溫度Ti，並且如果該室溫Ti高於大氣溫度To，操作風扇72，升高電池溫度Tb。在包括第一實施方案的電池溫度控制過程CF2的正常控制CP的流程中，執行所述控制過程CF3，從而使電池溫度Tb充分地升高或者維持。
根據第二實施方案的修改方案，考慮室溫Ti的變化率dTi，抑制風扇72的操作，使得即使在需要從乘客室PR向電池殼70中引入大量空氣的情況下，抑制乘客室PR中的空氣溫度Ti，避免劇烈降低，並且阻止乘客室PR中的氣壓變負而不增加構成空調65的空氣調節扇的負載，使乘客以及駕駛員享受持續的舒適。
因此，根據所述實施方案，在從燃料電池(1)和/或二次電池(7)的電能供應開始後，當燃料電池的可能發電(Gp)降低至低於第一預定值時，升高燃料電池的溫度(Ts)，並且當二次電池的可能充電(Cp)或者二次電池的可能放電(Dp)降低至低於第二預定值時，升高二次電池的溫度(Tb)，從而甚至在系統起動後連續的低輸出條件下，也能使燃料電池和二次電池向負載5供應穩定的電能。
日本專利申請第2003-137801號的內容被引入本文作參考。
當使用特定的術語已經說明了本發明的實施方案時，這些說明只是出於舉例說明的目的，並且應當理解為可以做出改變和變化而不會背離下面權利要求的精神和範圍。
工業應用性本發明允許燃料電池和二次電池的組合甚至在完全預熱的起動後連續的低輸出條件下，也能向負載供應穩定的電能。
權利要求
1.一種燃料電池系統，其包括燃料電池、與燃料電池連接的電力分配器，以及與電力分配器連接的二次電池的組合；與電力分配器連接的負載組；以及控制器，在燃料電池的起動完成和二次電池預熱後，在從電力分配器向負載組分配電能期間，所述控制器適於當燃料電池不能滿足其服務的第一標準時升高燃料電池的溫度，並且當二次電池不能滿足其服務的第二標準時升高二次電池的溫度。
2.根據權利要求1的燃料電池系統，其中所述燃料電池具有作為負載組的一部分的輔助設備，並且所述控制器被配置成增加所述輔助設備處的電能消耗，並且增加燃料電池的發電以補償所述增加，升高燃料電池的溫度。
3.根據權利要求1的燃料電池系統，其中所述第一標準包括燃料電池可能發電的閾值。
4.根據權利要求3的燃料電池系統，其中根據燃料電池的溫度估計所述可能的發電。
5.根據權利要求3的燃料電池系統，其中所述燃料電池具有用於向其進行燃料供應的燃料再循環管線，並且根據燃料再循環管線的淨化頻率來估計可能的發電。
6.根據權利要求1的燃料電池系統，其中所述第二標準包括二次電池的可能充電和可能放電之一的閾值。
7.根據權利要求6的燃料電池系統，其進一步包括車輛部分，其包括乘客室、配置來容納二次電池的電池室，以及可以操作從乘客室向電池室引入空氣的風扇，其中當滿足乘客室的第三標準時，配置控制器，操作風扇，從而升高二次電池的溫度，並且所述第三標準包括乘客室的典型溫度要高於電池室典型溫度的判斷。
8.根據權利要求7的燃料電池系統，其中所述第三標準包括乘客室典型溫度變化率的閾值。
9.根據權利要求7的燃料電池系統，其中所述風扇包括可以操作用來冷卻二次電池的空氣扇。
10.一種燃料電池系統，其包括燃料電池、與燃料電池連接的電力分配器，以及與電力分配器連接的二次電池的組合；與電力分配器連接的負載組；以及控制裝置，在燃料電池的起動完成和二次電池預熱後，在從電力分配器向負載組分配電能期間，所述控制裝置用於當燃料電池不能滿足其服務的第一標準時升高燃料電池的溫度，並且當二次電池不能滿足其服務的第二標準時升高二次電池的溫度。
11.一種燃料電池系統的控制方法，所述系統包括燃料電池、與燃料電池連接的電力分配器，以及與電力分配器連接的二次電池的組合，以及與電力分配器連接的負載組，所述控制方法包括，在燃料電池的起動完成和二次電池預熱後，在從電力分配器向負載組分配電能期間當燃料電池不能滿足其服務的第一標準時升高燃料電池的溫度，並且當二次電池不能滿足其服務的第二標準時升高二次電池的溫度。
全文摘要
在正常控制(CP)期間，其具有供應燃料(Fg)的燃料供應(3)、供應氧化劑(Og)的空氣供應(3)、使用供應的燃料和氧化劑產生電能的燃料電池堆(1)、作為可充電和放電操作的二次電池的電池(7)，以及從電池堆向主要負載(5)分配電能、並且可以從電池堆向電池以及從電池向負載分配電能的電力分配器(4)，在電池堆起動和電池預熱後，控制器(8)在可能的發電(Gp)降低時用於升高電池堆的溫度(Ts)，並且在可能的充電(Cp)或者可能的放電(Dp)降低時用於升高電池的溫度(Tb)，從而即使在連續的低輸出條件下，也能維持向負載穩定的電能供應。
文檔編號H01M16/00GK1717832SQ200480001569
公開日2006年1月4日 申請日期2004年5月12日 優先權日2003年5月15日
發明者麻生剛 申請人:日產自動車株式會社