專利名稱：燃料電池系統(tǒng)和控制電池的方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及到能夠以高能量轉(zhuǎn)換效率激活的燃料電池系統(tǒng)以及控制這種電池的方法。
以圖5所示為例，在現(xiàn)有技術(shù)的安裝到電動車上的燃料電池系統(tǒng)中，由一個轉(zhuǎn)化單元128接收通過一個泵126供給的燃料124，例如是甲醇和水，并且通過甲醇的蒸汽轉(zhuǎn)化反應從燃料124產(chǎn)生含氫的氣體燃料。燃料電池136接收所產(chǎn)生的氣體燃料氣流和空氣130，并且通過氣體燃料與空氣130的電化學反應產(chǎn)生一個電動勢。由燃料電池136產(chǎn)生的電功率和與這一燃料電池136并聯(lián)連接的一個電池140輸出的電功率被提供給一個逆變器144，用來驅(qū)動一臺電動機146并且獲得電動車的驅(qū)動力。
一個控制單元120根據(jù)加速踏板位置傳感器122測得的電動車加速器行程來計算逆變器144所需的輸出(所需的電功率)，并且根據(jù)計算的所需輸出調(diào)節(jié)逆變器144。通過這種調(diào)節(jié)將對應著所需輸出的電功率通過逆變器144提供給電動機146。
用燃料電池136輸出電功率滿足逆變器144所需的輸出。當燃料電池136輸出的電功率達不到所需輸出時，由電池140向逆變器144輸出電功率補償這一不足。燃料電池136的輸出電功率是由逆變器144所需的輸出來決定的。
按照逆變器144需要輸出的電功率，在轉(zhuǎn)化單元128向燃料電池136提供的氣體燃料達不到所需的電功率輸出的情況下，燃料電池136不能輸出所需的電功率。也就是說，燃料電池136的輸出電功率也是由供應給燃料電池136的氣體燃料的量(也就是氣體流速)來決定的。
控制單元120根據(jù)逆變器144所需的輸出來驅(qū)動泵126，并且調(diào)節(jié)供應給轉(zhuǎn)化單元128的燃料124的量，以便按照逆變器144所需的輸出來調(diào)節(jié)供應給燃料電池136的氣體燃料量。
由轉(zhuǎn)化單元128產(chǎn)生的氣體燃料量不能隨著燃料124供應量的增加(或減少)而立即增加(或減少)，而是在滯后2到20秒之后增加或減少。因此，燃料電池136所需的氣體燃料量與實際供應給燃料電池136的氣體燃料量(氣體流速)并非總是相同的。
如上所述，在現(xiàn)有技術(shù)的燃料電池系統(tǒng)中，燃料電池的輸出電功率取決于逆變器所需的輸出和供應給燃料電池的氣體燃料量(氣體流速)。因此，燃料電池136的工作點是隨著逆變器所需的輸出和氣體流速的變化而改變的。
圖6的特性曲線代表在普通燃料電池內(nèi)以供應給燃料電池的氣體燃料量(氣體流速)為參數(shù)的功率發(fā)生效率隨輸出電功率的變化。圖7的特性曲線代表在普通燃料電池內(nèi)輸出電功率隨所需氣體燃料量的變化。
在上述現(xiàn)有技術(shù)的燃料電池系統(tǒng)中，如圖6所示，盡管能夠在高功率發(fā)生效率的工作點a’上激活燃料電池，燃料電池也可能在例如低功率發(fā)生效率的工作點b’被激活，因為實際工作點是隨著氣體流速的變化而改變的。
在上述現(xiàn)有技術(shù)的燃料電池系統(tǒng)中，如圖7所示，為了產(chǎn)生輸出電功率Wc，即使從轉(zhuǎn)化單元向燃料電池供應足夠的氣體燃料量Qc，燃料電池也可能在一個工作點例如d’被激活，僅僅產(chǎn)生一個輸出電功率Wd，因為實際工作點是隨著逆變器所需輸出的變化而改變的。在這種情況下，為產(chǎn)生輸出電功率Wd所需的氣體燃料量僅僅等于Qd，而浪費的氣體燃料量是(Qc-Qd)。這樣會降低氣體燃料的利用系數(shù)。
如上所述，在現(xiàn)有技術(shù)的燃料電池系統(tǒng)中，燃料電池的工作點是隨著逆變器所需的輸出和氣體流速的變化而改變的。因此，燃料電池不能總是在高功率發(fā)生效率的工作點或者是高氣體利用系數(shù)的工作點上被激活。
功率發(fā)生效率和氣體利用系數(shù)存在一種折衷的關系，因而難以同時提高功率發(fā)生效率和氣體利用系數(shù)。功率發(fā)生效率和氣體利用系數(shù)的最大乘積可以最大可能地提高功率發(fā)生效率和氣體利用系數(shù)。功率發(fā)生效率和氣體利用系數(shù)的乘積是由燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率來體現(xiàn)的。
本發(fā)明的目的就是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，并且提供一種能夠使燃料電池具有提高的能量轉(zhuǎn)換效率的燃料電池系統(tǒng)。
上述的至少一部分和其他目的是通過這樣實現(xiàn)的，具有燃料電池的第一燃料電池系統(tǒng)接收氣體供應而產(chǎn)生電功率，并且將產(chǎn)生的電功率提供給負載。第一燃料電池系統(tǒng)包括用來測量與供應給燃料電池的氣體的流速有關的氣體流速定量的氣體流速定量測量單元；以及一個控制單元，根據(jù)測得的氣體流速定量來確定關于燃料電池的輸出電流-輸出電壓特性的一個工作點，并且調(diào)節(jié)準備從燃料電池中提取的電功率，從而使燃料電池在特定的工作點上被激活。
本發(fā)明還涉及到接收氣體供應并且產(chǎn)生電功率的燃料電池的第一控制方法。第一控制方法包括以下步驟(a)測量關于供應給燃料電池的氣體流速的氣體流速定量；(b)根據(jù)測得的氣體流速定量來確定關于燃料電池的輸出電流-輸出電壓特性的一個工作點；以及(c)調(diào)節(jié)準備從燃料電池中提取的電功率，從而使燃料電池在特定的工作點上被激活。
本發(fā)明的第一燃料電池系統(tǒng)和對應的第一方法所采用的技術(shù)方案是測量關于供應給燃料電池的氣體流速的氣體流速定量，根據(jù)測得的氣體流速定量來確定關于燃料電池的輸出電流-輸出電壓特性的工作點。然后用這種技術(shù)調(diào)節(jié)準備從燃料電池中提取的電功率，從而使燃料電池在特定的工作點上被激活。
在本發(fā)明的第一燃料電池系統(tǒng)和對應的第一方法中，輸出電流-輸出電壓特性上的最高能量轉(zhuǎn)換效率工作點是按照對應著測得的氣體流速定量的關于輸出電流-輸出電壓特性的工作點來確定的。這種方式可以使燃料電池在最高能量轉(zhuǎn)換效率的工作點上被激活，因而能夠盡可能提高燃料電池的功率發(fā)生效率和氣體利用系數(shù)。
本發(fā)明還涉及到第二燃料電池系統(tǒng)，它具有接收氣體供應并產(chǎn)生電功率的燃料電池，以及用來積累電功率并且輸出積累的電功率的二次電池。第二燃料電池系統(tǒng)向負載提供至少一種燃料電池產(chǎn)生的電功率和二次電池輸出的電功率。第二燃料電池系統(tǒng)包括用來測量與供應給燃料電池的氣體的流速有關的氣體流速定量的氣體流速定量測量單元；以及一個控制單元，根據(jù)測得的氣體流速定量來確定關于燃料電池的輸出電流-輸出電壓特性的一個工作點，確定在特定的工作點激活燃料電池時需要從燃料電池中提取的電功率的量，以及需要提供給負載的電功率的量，并且根據(jù)由此確定的兩個電功率的量來調(diào)節(jié)至少一個需要從二次電池輸出的電功率和需要在二次電池中積累的電功率。
本發(fā)明還涉及到在燃料電池系統(tǒng)中控制二次電池的第二種方法，在系統(tǒng)中具有用來接收氣體供應并且產(chǎn)生電功率的燃料電池，以及用來積累電功率并且輸出積累的電功率的二次電池，并且向負載提供至少一種燃料電池產(chǎn)生的電功率和二次電池輸出的電功率。第二方法包括以下步驟(a)測量與供應給燃料電池的氣體的流速有關的氣體流速定量；(b)根據(jù)測得的氣體流速定量確定關于燃料電池的輸出電流-輸出電壓特性的一個工作點；(c)確定在確定的工作點激活燃料電池時需要從燃料電池中提取的電功率的量，以及需要提供給負載的電功率的量；以及(d)根據(jù)由此確定的兩個電功率的量調(diào)節(jié)至少一個需要從二次電池輸出的電功率和需要在二次電池中積累的電功率。
本發(fā)明的第二燃料電池系統(tǒng)和對應的第二方法所采用的技術(shù)方案是測量關于供應給燃料電池的氣體流速的氣體流速定量，根據(jù)測得的氣體流速定量來確定關于燃料電池的輸出電流-輸出電壓特性的工作點。然后用這種技術(shù)確定在確定的工作點激活燃料電池時需要從燃料電池中提取的電功率的量，以及需要提供給負載的電功率的量，并且根據(jù)由此確定的兩個電功率的量調(diào)節(jié)需要從二次電池輸出的電功率或需要在二次電池中積累的電功率。按照這種方式調(diào)節(jié)二次電池的電功率可以確定需要從燃料電池提取的電功率的量，并且能夠在特定的工作點激活燃料電池。
在本發(fā)明的第二燃料電池系統(tǒng)和對應的第二方法中，將最高能量轉(zhuǎn)換效率的工作點確定為關于對應著測得的氣體流速定量的輸出電流-輸出電壓特性的工作點。這種方式可以通過上述調(diào)節(jié)使燃料電池在最高能量轉(zhuǎn)換效率的工作點上被激活，因而能夠盡可能提高燃料電池的功率發(fā)生效率和氣體利用系數(shù)。
按照本發(fā)明的一種最佳應用，第二燃料電池系統(tǒng)進一步包括用來測量二次電池充電狀態(tài)的充電狀態(tài)傳感器。在這種應用中，控制單元除了根據(jù)確定的兩個電功率的量還根據(jù)測得的充電狀態(tài)來調(diào)節(jié)至少一個需要從二次電池輸出的電功率和需要在二次電池中積累的電功率。
按照類似的方式，本發(fā)明的第二方法進一步包括以下步驟(e)測量二次電池的充電狀態(tài)。在這種應用中，步驟(d)中包括以下步驟，除了根據(jù)確定的兩個電功率的量還根據(jù)測得的充電狀態(tài)來調(diào)節(jié)至少一個需要從二次電池輸出的電功率和需要在二次電池中積累的電功率。
一般來說，二次電池的輸出電功率取決于二次電池的充電狀態(tài)。如果二次電池的充電狀態(tài)接近滿充電電平，就不可能在二次電池內(nèi)進一步積累電功率。在這種情況下就需要相應的控制，避免電功率的進一步積累。
無論是對于本發(fā)明的第一燃料電池系統(tǒng)或第二燃料電池系統(tǒng)來說，都希望控制單元將輸出電流-輸出電壓特性上的最高能量轉(zhuǎn)換效率點確定為工作點。
按照類似的方式，在本發(fā)明的第一方法或第二方法中，步驟(b)最好是包括以下步驟，將輸出電流-輸出電壓特性上的最高能量轉(zhuǎn)換效率點確定為工作點。
按照這種方式確定工作點可以使燃料電池在最高能量轉(zhuǎn)換效率工作點上被激活。
本發(fā)明還涉及到第三燃料電池系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括燃料電池，它接收氣體燃料供應和一種氧化氣體，并且通過氣體燃料和氧化氣體的電化學反應產(chǎn)生電功率；一個流速傳感器，用來測量供應給燃料電池的至少一種氣體燃料和氧化氣體的流速；在內(nèi)部積累電功率并且輸出積累的電功率的二次電池；用來測量二次電池充電狀態(tài)的充電狀態(tài)傳感器；一個逆變器接收從至少一個燃料電池和二次電池提供的電功率，用來驅(qū)動一個電動機；一個變換器，用來改變從燃料電池輸出的電壓，并且將改變的電壓并聯(lián)提供給二次電池和逆變器；以及一個控制單元，它根據(jù)測得的流速確定關于燃料電池的輸出電流-輸出電壓特性的一個工作點，確定在確定的工作點激活燃料電池時需要從燃料電池中提取的電功率的量，根據(jù)外部信息確定需要提供給逆變器的電功率的量，并且根據(jù)由此確定的兩個電功率的量和測得的充電狀態(tài)來調(diào)節(jié)變換器的電壓輸出。
在本發(fā)明的第三燃料電池系統(tǒng)中，流速傳感器測量供應給燃料電池的至少一種氣體燃料或氧化氣體的流速。充電狀態(tài)傳感器測量二次電池的充電狀態(tài)。逆變器接收從至少一個燃料電池和二次電池提供的電功率，用來驅(qū)動電動機。變換器升高或降低從燃料電池輸出的電壓，并且將改變的電壓并聯(lián)提供給二次電池和逆變器?？刂茊卧鶕?jù)流速傳感器測得的流速來確定和燃料電池的輸出電流-輸出電壓特性有關的一個工作點，并且確定在確定的工作點激活燃料電池時需要從燃料電池中提取的電功率的量?？刂茊卧€要根據(jù)外部信息確定需要提供給逆變器的電功率的量?？刂茊卧S后根據(jù)如此確定的兩個電功率的量和充電狀態(tài)傳感器測得的充電狀態(tài)調(diào)節(jié)變換器的輸出電壓。這種結(jié)構(gòu)可以為二次電池提供調(diào)節(jié)的電壓，將二次電池的電功率(包括輸出電功率或積累的電功率)調(diào)節(jié)到所需的電平。通過這種調(diào)節(jié)可以從燃料電池中提取確定量的電功率，并且在特定的工作點激活燃料電池。
在本發(fā)明的第三燃料電池系統(tǒng)中，將最高能量轉(zhuǎn)換效率的工作點確定為關于對應著測得的氣體流速的輸出電流-輸出電壓特性的工作點。這種結(jié)構(gòu)可以通過上述調(diào)節(jié)使燃料電池在最高能量轉(zhuǎn)換效率的工作點上被激活，因而能夠盡可能提高燃料電池的功率發(fā)生效率和氣體利用系數(shù)。
本發(fā)明的技術(shù)還可以用安裝有上述第一到第三燃料電池系統(tǒng)之一的電動車來實現(xiàn)。電動車具有作為負載的電動機，由燃料電池提供的電功率來驅(qū)動電動機，用電動機產(chǎn)生電動車的驅(qū)動力。
在電動車上安裝第一到第三燃料電池系統(tǒng)當中的任何一種都能夠提高電動車的能量轉(zhuǎn)換效率。


圖1表示按照本發(fā)明的一種燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；圖2表示在圖1的燃料電池系統(tǒng)中執(zhí)行的一種處理程序的流程圖；圖3的特性曲線表示輸出電流-輸出電壓特性隨著作為圖1所示的燃料電池36的一個參數(shù)的氣體流速變化而發(fā)生的改變；圖4的特性曲線表示輸出電流-輸出電壓特性隨著作為圖1所示的電池40的一個參數(shù)的SOC變化而發(fā)生的改變；圖5表示一種現(xiàn)有技術(shù)燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；
圖6的特性曲線表示在一般燃料電池中的功率發(fā)生效率對輸出電功率隨著作為一個參數(shù)的供應給燃料電池的氣體燃料的量(氣體流速)的變化而發(fā)生的改變；以及圖7的特性曲線表示在一般燃料電池中輸出電功率隨所需的氣體燃料量的變化。
以下通過一個實施例來說明實現(xiàn)本發(fā)明的一種方式。圖1表示按照本發(fā)明的一種燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的燃料電池系統(tǒng)被安裝在電動車上。
以下說明圖1所示燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其一般工作方式。圖1所示的燃料電池系統(tǒng)的主要組成包括控制單元20，加速踏板位置傳感器22，泵26，轉(zhuǎn)化單元28流速傳感器32和34，燃料電池36，DC-DC變換器38，電池40，SOC傳感器42，逆變器44和一臺電動機46。
按照控制單元20輸出的控制信號控制泵26，向轉(zhuǎn)化單元28供應燃料24，例如是甲醇和水。
轉(zhuǎn)化單元28通過甲醇的蒸汽轉(zhuǎn)化反應從供應的燃料24即甲醇和水產(chǎn)生含氫的富氫氣體(轉(zhuǎn)化氣體)，這種反應可以用通式(1)表示(1)燃料電池36接收由轉(zhuǎn)化單元28產(chǎn)生的富氫氣體構(gòu)成的氣體燃料供應和空氣30供應的含氧氧化氣體，通過由通式(2)到(4)代表的電化學反應產(chǎn)生電功率(2)(3)(4)在本實施例中，燃料電池36是聚合物電解燃料電池并且具有通過依次層疊多個單元電池而獲得的層疊結(jié)構(gòu)(未示出)，每個單元電池包括一個電解膜，一個陽極，一個陰極，和一對隔板。富氫氣體供應通過氣體燃料流路(未示出)被供給每個單元電池的陽極，發(fā)生通式(2)代表的反應?？諝獾墓ㄟ^氧化氣體流路(未示出)被供給每個單元電池的陰極，發(fā)生通式(3)代表的反應。通式(4)表示在燃料電池內(nèi)發(fā)生的總的反應。
流速傳感器32測量流經(jīng)富氫氣體供應管到燃料電池36的富氫氣體的流速，而流速傳感器34測量流經(jīng)空氣供應管到燃料電池36的空氣的流速。測量結(jié)果分別被傳送到控制單元20。流速傳感器32和34不需要直接測量富氫氣體和空氣的流速，而是可以測量與富氫氣體和空氣的流速有關的任何定量。
電池40和逆變器44通過DC-DC交換區(qū)38與燃料電池36并聯(lián)連接。由燃料電池36產(chǎn)生的電功率通過DC-DC變換器38提供給逆變器44，并且根據(jù)需要也可以提供給電池40。
DC-DC變換器38升高或降低從燃料電池36輸出的電壓，并且通過二極管39并聯(lián)地為逆變器44和電池40提供可變的電壓。DC-DC變換器38響應來自控制單元20的控制信號而調(diào)節(jié)升高或降低的電壓。
二極管39使電流僅僅在從DC-DC變換器38到逆變器44或電池40的一個方向上流動。
根據(jù)需要在電池40內(nèi)部積累由燃料電池36提供的電功率和由電動機46通過逆變器44再生的電功率，并且向逆變器44提供積累的電功率。在這一實施例中，電池40采用了作為二次電池的鉛酸電池。電池40也可以采用各種其他類型的二次電池，例如鎳-鉻電池，鎳-氫電池和鋰二次電池。電池40的電源容量取決于電動車所需的驅(qū)動狀態(tài)，也就是預期的負載量以及燃料電池36的電源容量。
SOC傳感器42測量電池40的充電狀態(tài)(SOC)，并且將測量結(jié)果傳送給控制單元20。在一個具體的例子中，SOC傳感器42包括一個SOC表，用來累計電池40產(chǎn)生的充電或放電電流和時間的乘積。控制單元20根據(jù)累計值來計算電池40的充電狀態(tài)。SOC傳感器42可以包括一個測量電池40的輸出電壓的電壓傳感器，或者是一個用來測量電池40內(nèi)的電解液的比重的比重傳感器，用來代替SOC表。在這種情況下，控制單元20根據(jù)測得的值計算電池40的充電狀態(tài)。
逆變器44用燃料電池36和電池40提供的電功率驅(qū)動電動機46。具體地說，逆變器44將DC-DC變換器38或電池40提供的d.c.電壓變換成三相a.c.電壓，并且將變換而來的三相a.c.電壓提供給電動機46。逆變器44響應來自控制單元20的控制信號調(diào)節(jié)提供給電動機46的三相a.c.電壓的幅值(具體說就是脈沖寬度)和頻率，從而調(diào)節(jié)電動機46產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。
實際的逆變器44的主要電路元件包括六個開關元件(例如是雙極MOSFET(IGBT))。由控制單元20的控制信號來控制這些開關元件的開關動作，從而將提供的d.c.電壓變換成所需幅值和頻率的三相a.c.電壓。
電動機46例如是由一臺三相同步電動機構(gòu)成的，由燃料電池36和電池40通過逆變器44提供的電功率來驅(qū)動，將轉(zhuǎn)矩施加到一個驅(qū)動軸(未示出)上。產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩通過一個齒輪單元(未示出)傳遞到電動車的軸(未示出)上，為車輪提供旋轉(zhuǎn)驅(qū)動力。電動車在運行中就是這樣接收驅(qū)動力的。
加速踏板位置傳感器22測量電動車的加速器行程并且將測量結(jié)果傳送給控制單元20。
控制單元20包括CPU20a，ROM20b，RAM20c和一個輸入-輸出端口20d。CPU20a按照控制程序執(zhí)行必要的操作，完成一系列處理和控制。在執(zhí)行操作的過程中使用的控制程序，控制數(shù)據(jù)，作為一個參數(shù)代表著供應給燃料電池36的各種氣體流速下的輸出電流-輸出電壓特性的數(shù)據(jù)，以及作為一個參數(shù)代表著電池40的各種充電狀態(tài)(SOC)下的輸出電流-輸出電壓的數(shù)據(jù)都被預先存儲在ROM20b中，后兩個數(shù)據(jù)將在下文中討論。在執(zhí)行操作的過程中獲得的各種數(shù)據(jù)被暫時存儲在RAM20c中。輸入-輸出端口20d輸入從各個傳感器送來的測量結(jié)果，將這些輸入提供給CPU20a，并且響應CPU20a發(fā)出的指令向各個部分輸出控制信號。
以下參照圖2的流程來說明在本實施例的燃料電池系統(tǒng)中執(zhí)行的一系列處理。
圖2表示在圖1的燃料電池系統(tǒng)中執(zhí)行的一種處理程序的流程圖。在進入圖2的程序時，控制單元20首先接收由加速踏板位置傳感器22測量的加速器行程(步S10)?？刂茊卧?0在這一步中檢測驅(qū)動器的需求，也就是需要通過逆變器44為電動機46提供多少電功率來驅(qū)動電動車。隨后，控制單元20根據(jù)輸入的加速器行程來計算需要提供給逆變器44的電功率(也就是逆變器44所需的輸出)(步S12)。
控制單元20還輸入作為氣體流速由流速傳感器32測量的富氫氣體或氣體燃料的流速(步S14)。在經(jīng)歷電化學反應的過程中，氫和氧的量之間存在由通式(4)表示的固定關系?？刂茊卧?0也可以輸入作為氣體流速由流速傳感器34測量的空氣或氧化氣體的流速，用來代替富氫氣體或氣體燃料流速?？刂茊卧?0也可以輸入富氫氣體和空氣兩種流速。
如上所述，作為燃料電池36的一個參數(shù)代表著在各種氣體流速下的輸出電流-輸出電壓特性的數(shù)據(jù)被存儲在控制單元20所包括的ROM20b中。
圖3的特性曲線表示輸出電流-輸出電壓特性隨著作為圖1所示的燃料電池36的一個參數(shù)的氣體流速變化而發(fā)生的改變。在圖3的曲線中，燃料電池36的輸出電壓被繪制成縱坐標，輸出電流被繪制成橫坐標。
如圖3所示，燃料電池36的輸出電流-輸出電壓特性是隨著流入燃料電池36的氣體燃料(氣體流速)的流速變化而改變的。確定氣體流速的過程無異于確定對應這一特定氣體流速的輸出電流-輸出電壓特性。在圖3的曲線中，特性曲線隨著流速的逐漸變化從F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3到F4。
各種氣體流速下的輸出電流-輸出電壓特性被存儲在ROM20b中?？刂茊卧?0從控制單元20中的ROM20b讀出對應著輸入氣體流速的輸出電流-輸出電壓特性?？刂茊卧?0隨后根據(jù)讀出的輸出電流-輸出電壓特性計算出燃料電池36的一個最高能量轉(zhuǎn)換效率點(步S16)。
燃料電池36的能量轉(zhuǎn)換效率是燃料電池36的功率發(fā)生效率和氣體利用系數(shù)的乘積(功率發(fā)生效率×氣體利用系數(shù))。眾所周知，在燃料電池中，功率發(fā)生效率與輸出電壓成正比，而所需的氣體燃料量與輸出電流成正比。因而就可以用輸出電壓和輸出電流的乘積替代燃料電池的功率發(fā)生效率和氣體利用系數(shù)的乘積。換句話說，燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率是由燃料電池的輸出電壓和輸出電流的乘積(輸出電壓×輸出電流)來代表的。
如果將圖3中所示的特性曲線F2作為對應著測得的氣體流速的輸出電流-輸出電壓特性讀出，控制單元20根據(jù)讀出的輸出電流-輸出電壓特性曲線F2計算出輸出電壓和輸出電流具有最大乘積的一個點Pm，并且將點Pm確定為最高能量轉(zhuǎn)換效率點。
燃料電池的輸出電壓和輸出電流的乘積對應著燃料電池的輸出電功率。燃料電池的最高輸出電功率點相當于最高能量轉(zhuǎn)換效率點。
在計算完最高能量轉(zhuǎn)換效率點之后，控制單元20將算出的點作為燃料電池的工作點(步S18)，并且估算在這一確定的工作點上激活燃料電池36所輸出的電功率(步S20)。
控制單元20可以在處理步驟S14到S20的同時執(zhí)行處理步驟S10和S12，或者是在完成一系列處理之后再開始另一系列處理。
控制單元20接著從步S12計算的逆變器44的所需輸出中減去在步S20估算的燃料電池36的輸出電功率，從中確定一個差(步S22)。當這一差不小于零時，程序從步S24開始執(zhí)行。另一方面，當這一差小于零時，程序從步S32開始執(zhí)行。在這一差不小于零的狀態(tài)下，燃料電池36的輸出電功率不能滿足逆變器44的所需輸出。在這一差小于零的狀態(tài)下，燃料電池36的輸出電功率超過了逆變器44的需求。
在這一差不小于零的狀態(tài)下，控制單元20首先輸入由SOC傳感器42測量的電池40的充電狀態(tài)(SOC)(步S24)。
如上所述，以電池40的各個SOC為參數(shù)的代表輸出電流-輸出電壓特性的數(shù)據(jù)被存儲在控制單元20所包括的ROM20b中。
圖4的特性曲線表示輸出電流-輸出電壓特性隨著作為圖1所示的電池40的一個參數(shù)的SOC變化而發(fā)生的改變。在圖4的曲線中，燃料電池36的輸出電壓被繪制成縱坐標，而輸出電流被繪制成橫坐標。
如圖4所示，燃料電池36的輸出電流-輸出電壓特性隨著電池40的SOC的變化而改變。確定SOC的過程可以明確地確定對應著特定SOC的輸出電流-輸出電壓特性。在圖4的曲線中，特性曲線按照SOC的順序變成G1，G2，...到G5。各個SOC上的輸出電流-輸出電壓特性被存儲在ROM20b中。
控制單元20對應著輸入的SOC從控制單元20的ROM20b中讀出輸出電流-輸出電壓特性?？刂茊卧?0接著根據(jù)讀出的輸出電流-輸出電壓特性從步S22獲得的逆變器44所需的輸出和燃料電池36的輸出電功率之間的差來確定電池40所需的輸出電壓(步S26)。
在一個具體實施例中，在對應著測得的SOC讀出圖4中所示的輸出電流-輸出電壓特性曲線G3時，由控制單元20計算一個點，在計算出的點上的輸出電壓和輸出電流的乘積(也就是電池40的輸出電功率)基本上等于逆變器44所需的輸出和讀出的輸出電流-輸出電壓特性曲線G3上的燃料電池36輸出電功率之間的差。假設計算出來的點是圖4中所示的Pn。然后將電池40在這一點Pn上的輸出電壓Vn確定為電池40的輸出電壓。
然后由控制單元20控制DC-DC變換器38，從而將DC-DC變換器38的輸出電壓調(diào)節(jié)到步S26所確定的輸出電壓(步S28)。DC-DC變換器38的輸出電壓分別被提供給電池40和逆變器44。按照這種方式調(diào)節(jié)DC-DC變換器38的輸出電壓可以使電池40的輸出電壓等于在步S26確定的輸出電壓。通過這樣的調(diào)節(jié)，就可以使從電池40輸出的輸出電功率等于在步S22獲得的逆變器44所需的輸出和燃料電池36的輸出電功率之間的差所對應的那一電功率。
控制單元20接著控制逆變器44，使電動機46通過逆變器44吸取對應著步S12中計算的逆變器44的所需輸出的電功率。從電池40輸出的電功率被相應地提供給逆變器44，從燃料電池36提取電功率的不足(也就是逆變器44所需的輸出和電池40的輸出電功率之間的差)并且提供給逆變器44(步S30)。
控制單元20按照上述方式控制DC-DC變換器38和逆變器44，從燃料電池36中提取在步S20中估算的輸出電功率，在最高能量轉(zhuǎn)換效率的工作點上激活燃料電池。
另一方面，在步S22所獲得的逆變器44的所需輸出與燃料電池36的輸出電功率之間的差小于零的情況下，控制單元20按照與步S24相同的方式輸入由SOC傳感器42測量的電池40的SOC(步S32)，并且確定輸入的SOC是否小于100％(步S34)。當輸入的SOC小于100％時，程序就確定電池40仍然有余地進一步積累電功率，并且從步S36開始執(zhí)行以后的程序。另一方面，當輸入的SOC等于100％時，程序就確定電池40已經(jīng)沒有任何余地進一步積累電功率，并且從步S42開始執(zhí)行以后的程序。
在輸入的SOC小于100％的情況下，按照與步S26相同的處理方式，控制單元20讀出對應著輸入的SOC的輸出電流-輸出電壓特性，并且根據(jù)讀出的輸出電流-輸出電壓特性從步S22獲得的逆變器44所需的輸出和燃料電池36的輸出電功率之間的差來確定電池40所需的輸出電壓(步S36)。
在一個具體實施例中，如上所述，在讀出對應著輸入SOC的輸出電流-輸出電壓特性曲線G3時，由控制單元20計算一個點，在這一點上的輸出電壓和輸出電流的乘積基本上等于逆變器44所需的輸出和讀出的輸出電流-輸出電壓特性曲線G3上的燃料電池36輸出電功率之間的差。與步S26的處理不同，由于逆變器44所需的輸出與燃料電池36輸出電功率之間的差小于零(也就是負值)，步S36的處理計算出的輸出電壓和輸出電流的乘積(也就是電池40的輸出電功率)的那一點是負值。電池40輸出的電功率為負值代表的意思是電池40在積累電功率。如圖4所示，電池40的輸出電壓不會是負值，因此，處理過程計算出具有負的輸出電流的點。
假設算出的點是圖4中的Pr。然后就將電池40在算出的這一點Pr上的輸出電壓Vr確定為電池40所需的輸出電壓。
控制單元20接著控制DC-DC變換器38，將DC-DC變換器38的輸出電壓調(diào)節(jié)到步S36中確定的輸出電壓(步S38)。這種調(diào)節(jié)使得電池40的輸出電壓等于在步S26確定的輸出電壓，并且在電池40中積累電功率。具體地說，這一控制過程使得從燃料電池36中提取電功率，并且能夠?qū)⒖傒敵鲭姽β十斨袑诓絊22獲得的逆變器44的所需輸出和燃料電池36的輸出電功率之間的差的絕對值的一部分電功率積累在電池40中。
控制單元20隨后控制逆變器44，使得電動機46通過逆變器44吸取電功率，這一電功率對應著在步S12中算出的逆變器44的所需輸出。從燃料電池36提取的總電功率當中對應著算出的逆變器44所需輸出(也就是沒有積累在電池40中的剩余的電功率)的電功率被相應地提供給逆變器44被電動機46吸收(步S40)。
控制單元20按照上述方式控制DC-DC變換器38和逆變器44，從燃料電池36中提取在步S20估算出的輸出電功率，在最高能量轉(zhuǎn)換效率的工作點上激活燃料電池36。
另一方面，在輸入SOC等于100％的情況下，控制單元20讀出對應著SOC＝100％的輸出電流-輸出電壓特性，并且根據(jù)讀出的輸出電流-輸出電壓特性來確定電池40在電池40的輸出電功率等于零的情況下需要的輸出電壓(步S42)。
在圖4的例子中，讀出的特性曲線G5代表對應著SOC＝100％的輸出電流-輸出電壓特性?？刂茊卧?0相應地計算一個點，在讀出的輸出電流-輸出電壓特性曲線G5上，電池40在這一點上的輸出電功率(也就是輸出電壓和輸出電流的乘積)等于零。如圖4所示，由于電池40的輸出電壓不會有任何負值，控制單元20算出輸出電流等于零的點。
在圖4的例子中，在一個點Ps，電池40的輸出電功率等于零。相應地將電池40在點Ps上的輸出電壓Vs確定為電池40所需的輸出電壓。
控制單元20接著控制DC-DC變換器38，將DC-DC變換器38的輸出電壓調(diào)節(jié)到步S42所確定的輸出電壓(步S44)。這種調(diào)節(jié)致使電池40的輸出電壓等于在步S42確定的輸出電壓。電池40的輸出電功率相應地等于零。電池40既不輸出電功率也不積累電功率。
控制單元20接著控制逆變器44，使得電動機46通過逆變器44吸取電功率，這一電功率對應著步S12中算出的逆變器44的所需輸出。相應地從燃料電池36提取對應著逆變器44的所需輸出的電功率，并且提供給逆變器44被電動機46所吸收，不用積累在電池40中(步S46)。
在這種情況下，從燃料電池36提取的電功率對應著逆變器44的所需輸出，但是不一定符合在步S20中估算的輸出電功率。仍然存在燃料電池36在步S18所確定的工作點以外的某個工作點上被激活的可能性。
上述說明沒有具體涉及到控制單元20為控制泵26所執(zhí)行的控制程序?？刂茊卧?0按照以下的任何一種程序控制泵26，調(diào)節(jié)供應給轉(zhuǎn)化單元28的燃料量。例如，控制單元20按照逆變器44在過去幾秒鐘內(nèi)向電動機46實際輸出的電功率的平均值來調(diào)節(jié)供應給轉(zhuǎn)化單元28的燃料量。在其他例子中是按照加速器的行程(也就是逆變器44的所需輸出)或電池40的SOC來調(diào)節(jié)燃料的量。也可以通過綜合的方式來調(diào)節(jié)燃料的量。另一種程序是直接控制泵26為轉(zhuǎn)化單元28供應固定量的燃料。
如上所述，本實施例的技術(shù)可以在沒有步S46的操作的情況下在最高能量轉(zhuǎn)換效率的工作點上激活燃料電池36。這種配置能夠提高燃料電池36的能量轉(zhuǎn)換效率，從而盡可能地提高燃料電池的功率發(fā)生效率和氣體利用系數(shù)。
本發(fā)明不僅限于上述實施例及其變形，在不脫離本發(fā)明主要特征的范圍或原理的條件下還可以有許多其它修改，變更和替換。
在上述實施例在結(jié)構(gòu)中，作為燃料電池36的一個參數(shù)代表著在各種氣體流速下的輸出電流-輸出電壓特性的數(shù)據(jù)被預先存儲在控制單元20所包括的ROM20b中?？刂茊卧?0對應著輸入的氣體流速讀出輸出電流-輸出電壓特性，并且在讀出的輸出電流-輸出電壓特性上計算燃料電池36的最高能量轉(zhuǎn)換效率的確定的點?？刂茊卧?0隨后將算出的這一確定點作為燃料電池36的工作點，并且估算燃料電池36在這一確定的工作點上被激活時產(chǎn)生的輸出電功率。然而，本發(fā)明的技術(shù)不僅限于這種配置。按照一種修改的配置，代表對應著各種氣體流速的輸出電流-輸出電壓特性上的最高能量轉(zhuǎn)換效率點的數(shù)據(jù)被預先存儲在控制單元20所包括的ROM20b中。在這種情況下，控制單元20是從控制單元20的ROM20b中讀出對應著輸入氣體流速的最高能量轉(zhuǎn)換效率點。按照再一種修改的配置，代表燃料電池36在對應著各種氣體流速的最高能量轉(zhuǎn)換效率的工作點上被激活時的輸出電功率的數(shù)據(jù)被預先存儲在控制單元20所包括的ROM20b中。在這種情況下，控制單元20是從控制單元20的ROM20b中讀出對應著輸入氣體流速的燃料電池36的輸出電功率。
如上所述，代表最高能量轉(zhuǎn)換效率點的數(shù)據(jù)和代表在最高能量轉(zhuǎn)換效率工作點上激活燃料電池時的輸出電功率的數(shù)據(jù)被存儲在控制單元20所包括的ROM20b中。這種配置主要依賴于由控制單元20所控制的負載。
在上述的實施例中是將甲醇和水作為燃料24供應給轉(zhuǎn)化單元28。然而，本發(fā)明的技術(shù)不僅限于這一種燃料，還可以用甲烷，乙醇，天然氣，汽油和燃油代替甲醇。
本發(fā)明的技術(shù)不僅限于裝有燃料電池系統(tǒng)的電動車，在工業(yè)中還可以用于任何其它裝有燃料電池系統(tǒng)的運輸工具，例如車，船，飛機和其它采用燃料電池系統(tǒng)的商用和家用電氣設備。
權(quán)利要求
1.具有燃料電池的一種燃料電池系統(tǒng)，接收氣體供應而產(chǎn)生電功率，并且將產(chǎn)生的電功率提供給負載，上述燃料電池系統(tǒng)包括用來測量與供應給上述燃料電池的氣體的流速有關的氣體流速定量的氣體流速定量測量單元；以及一個控制單元，根據(jù)測得的氣體流速定量來確定關于上述燃料電池的輸出電流-輸出電壓特性的一個工作點，并且調(diào)節(jié)準備從上述燃料電池中提取的電功率，從而使上述燃料電池在特定的工作點上被激活。
2.一種燃料電池系統(tǒng)，具有接收氣體供應并產(chǎn)生電功率的燃料電池，以及用來積累電功率并且輸出積累的電功率的二次電池，上述燃料電池系統(tǒng)向負載提供至少上述燃料電池產(chǎn)生的電功率和上述二次電池輸出的電功率之一，上述燃料電池系統(tǒng)包括用來測量與供應給上述燃料電池的氣體的流速有關的氣體流速定量的氣體流速定量測量單元；以及一個控制單元，根據(jù)測得的氣體流速定量來確定關于上述燃料電池的輸出電流-輸出電壓特性的一個工作點，確定在確定的工作點激活燃料電池時需要從上述燃料電池中提取的電功率的量，以及需要提供給負載的電功率的量，并且根據(jù)由此確定的兩個電功率的量來調(diào)節(jié)至少需要從上述二次電池輸出的電功率和需要在上述二次電池中積累的電功率之一。
3.按照權(quán)利要求2的燃料電池系統(tǒng)，其特征是上述燃料電池系統(tǒng)進一步包括用來測量上述二次電池的充電狀態(tài)的充電狀態(tài)傳感器，上述控制單元除了根據(jù)確定的兩個電功率的量還根據(jù)測得的充電狀態(tài)來調(diào)節(jié)至少一個需要從上述二次電池輸出的電功率和需要在上述二次電池中積累的電功率。
4.按照權(quán)利要求1到3之一的燃料電池系統(tǒng)，其特征是上述控制單元將輸出電流-輸出電壓特性上的最高能量轉(zhuǎn)換效率點確定為工作點。
5.一種燃料電池系統(tǒng)包括燃料電池，它接收氣體燃料供應和一種氧化氣體，并且通過氣體燃料和氧化氣體的電化學反應產(chǎn)生電功率；流速傳感器，用來測量供應給上述燃料電池的至少一種氣體燃料和氧化氣體的流速；在內(nèi)部積累電功率并且輸出積累的電功率的二次電池；用來測量二次電池充電狀態(tài)的充電狀態(tài)傳感器；一個逆變器，接收從至少上述燃料電池和上述二次電池提供的電功率之一，用來驅(qū)動一個電動機；一個變換器，用來改變從上述燃料電池輸出的電壓，并且將改變的電壓并聯(lián)提供給上述二次電池和上述逆變器；以及一個控制單元，它根據(jù)測得的流速確定關于上述燃料電池的輸出電流-輸出電壓特性的一個工作點，確定在確定的工作點上激活上述燃料電池時需要從上述燃料電池中提取的電功率的量，根據(jù)外部信息確定需要提供給上述逆變器的電功率的量，并且根據(jù)由此確定的兩個電功率的量和測得的充電狀態(tài)來調(diào)節(jié)上述變換器的電壓輸出。
6.控制燃料電池接收氣體供應并且產(chǎn)生電功率的一種方法，上述方法包括以下步驟(a)測量關于供應給上述燃料電池的氣體流速的氣體流速定量；(b)根據(jù)測得的氣體流速定量來確定關于上述燃料電池的輸出電流-輸出電壓特性的一個工作點；以及(c)調(diào)節(jié)準備從上述燃料電池中提取的電功率，從而使上述燃料電池在特定的工作點上被激活。
7.一種燃料電池系統(tǒng)，具有用來接收氣體供應并且產(chǎn)生電功率的燃料電池，以及用來積累電功率并且輸出積累的電功率的二次電池，并且向負載提供至少一種由上述燃料電池產(chǎn)生的電功率和上述二次電池輸出的電功率，在這一系統(tǒng)中控制上述二次電池的一種方法包括以下步驟(a)測量與供應給上述燃料電池的氣體的流速有關的氣體流速定量；(b)根據(jù)測得的氣體流速定量確定關于上述燃料電池的輸出電流-輸出電壓特性的一個工作點；(c)確定在確定的工作點激活上述燃料電池時需要從上述燃料電池中提取的電功率的量，以及需要提供給負載的電功率的量；以及(d)根據(jù)由此確定的兩個電功率的量調(diào)節(jié)至少需要從上述二次電池輸出的電功率和需要在上述二次電池中積累的電功率之一。
8.按照權(quán)利要求7的方法，其特征是上述方法進一步包括以下步驟(e)測量上述二次電池的充電狀態(tài)，上述步驟(d)包括以下步驟，除了根據(jù)確定的兩個電功率的量還根據(jù)測得的充電狀態(tài)來調(diào)節(jié)至少一個需要從上述二次電池輸出的電功率和需要在上述二次電池中積累的電功率。
9.按照權(quán)利要求6到8之一的方法，其特征是上述步驟(b)包括以下步驟，將輸出電流-輸出電壓特性上的最高能量轉(zhuǎn)換效率點確定為工作點。
全文摘要
控制單元20根據(jù)輸入的加速器行程計算出逆變器44所需的輸出(步S12)?？刂茊卧?0確定對應著一種氣體流速的輸出電流－輸出電壓特性,在確定的特性上獲得一個最高能量轉(zhuǎn)換效率點,將這一點確定為燃料電池36的工作點,并且計算出燃料電池36在這一確定的工作點上的輸出電功率(步S16到S20)?？刂茊卧?0根據(jù)計算的逆變器所需的輸出和計算的燃料電池輸出電功率之間的差以及電池40的SOC來確定電池40所需的輸出電壓(步S24)。由控制單元20控制DC－DC變換器38并且調(diào)節(jié)DC－DC變換器38的輸出電壓,使電池40產(chǎn)生所確定的輸出電壓(步S28)?？刂茊卧?0接著控制逆變器44,使電動機46吸取對應著所需輸出的電功率(步S30)。這種配置能夠在最高能量轉(zhuǎn)換效率的工作點上激活燃料電池36。
文檔編號H01M8/00GK1307735SQ99807840
公開日2001年8月8日 申請日期1999年5月31日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月25日
發(fā)明者巖瀨正宜 申請人:豐田自動車株式會社