專(zhuān)利名稱(chēng)：用于燃料電池車(chē)輛中燃料電池電力系統(tǒng)的工作負(fù)荷控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料電池車(chē)輛中燃料電池電力系統(tǒng)的工作負(fù)荷控制。
然而，在此種系統(tǒng)中，由于需要高容量的電池，成本將增加，并且在最大額定負(fù)荷下的工作時(shí)間將受電池容量的限制。而且，由于電池的尺寸較大，因此不適合安裝在車(chē)輛上。
日本專(zhuān)利局1997年公布的JP-A-H9-7618壓縮電池的容量，并且基于電負(fù)荷的平均值確定燃料電池電力系統(tǒng)的工作負(fù)荷，從而解決了上述JP-A-H4-51466中電池容量較大的問(wèn)題。
然而，在此種控制下，對(duì)于正常車(chē)輛運(yùn)行模式，燃料電池電力系統(tǒng)通常是更多地在低效率范圍內(nèi)工作，并且如后所述，燃料消耗減少。進(jìn)而，為了滿足0-100％的較寬電負(fù)荷范圍、快速響應(yīng)和高精確度，需要高分辨率的傳感器和流量控制閥，成本較高并且還需要進(jìn)一步的控制。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是在燃料電池車(chē)輛中高效率地運(yùn)行燃料電池電力系統(tǒng)并提高燃料電池車(chē)輛的燃料成本-性能，其中燃料電池車(chē)輛中電負(fù)荷在0-100％之間大幅變化。另一目的是降低燃料電池電力系統(tǒng)中傳感器和流量控制閥所要求的靈敏度和精確度并降低成本。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種燃料電池車(chē)輛，其中包括用氫氣和氧氣發(fā)電的燃料電池電力系統(tǒng)；用于車(chē)輛驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)，它通過(guò)接收從燃料電池電力系統(tǒng)供應(yīng)的電力而運(yùn)轉(zhuǎn)；以及用于計(jì)算車(chē)輛運(yùn)行所需的電負(fù)荷需要量的控制器，當(dāng)電負(fù)荷需要量小于預(yù)定負(fù)荷時(shí)，在與電負(fù)荷需要量無(wú)關(guān)的恒定負(fù)荷下運(yùn)行燃料電池電力系統(tǒng)；當(dāng)電負(fù)荷需要量大于預(yù)定負(fù)荷時(shí)，在與電負(fù)荷需要量相應(yīng)的負(fù)荷下運(yùn)行燃料電池電力系統(tǒng)。
本發(fā)明的細(xì)節(jié)以及其它特征和優(yōu)點(diǎn)在下文中提出并在附圖中示出。
圖2為示出在控制器控制燃料電池電力系統(tǒng)時(shí)的處理的流程圖。
圖3為基于電負(fù)荷需要量的時(shí)間平均值確定燃料電池電力系統(tǒng)的工作負(fù)荷的圖形。
圖4為用于根據(jù)電池的充電狀態(tài)補(bǔ)償燃料電池電力系統(tǒng)的工作負(fù)荷的圖形。
圖5為用于根據(jù)電池的充電狀態(tài)補(bǔ)償操作模式轉(zhuǎn)換閾值的圖形。
圖6為基于電負(fù)荷需要量的時(shí)間平均值確定燃料電池電力系統(tǒng)的工作負(fù)荷的圖形，其中，此圖形示出如何根據(jù)電池的充電狀態(tài)進(jìn)行補(bǔ)償。
圖7為示出基于電負(fù)荷需要量的時(shí)間平均值確定燃料電池電力系統(tǒng)的工作負(fù)荷的處理的流程圖。
圖8為示出在燃料電池車(chē)輛以正常運(yùn)行模式運(yùn)行時(shí)電負(fù)荷需要量的瞬時(shí)值變化的時(shí)間圖。
圖9為示出在燃料電池車(chē)輛以正常運(yùn)行模式運(yùn)行時(shí)電負(fù)荷需要量的時(shí)間平均值變化的時(shí)間圖。


圖10為示出燃料電池電力系統(tǒng)的工作負(fù)荷和系統(tǒng)效率之間關(guān)系的特性曲線圖。
圖11為示出系統(tǒng)最小負(fù)荷和燃料消耗之間關(guān)系的特性曲線圖。
圖12為示出在不應(yīng)用本發(fā)明時(shí)燃料電池電力系統(tǒng)的效率變化的時(shí)間圖。
圖13為示出在應(yīng)用本發(fā)明時(shí)燃料電池電力系統(tǒng)的效率變化的時(shí)間圖。
圖14為示出在應(yīng)用本發(fā)明時(shí)電池的充電狀態(tài)變化的時(shí)間圖。
分別從水箱2和燃料箱3向重整爐1供應(yīng)水和甲醇，重整爐1從蒸汽重整中產(chǎn)生包含氫氣的重整氣體。蒸汽重整是吸熱反應(yīng)。重整氣體提供給燃料電池4的陽(yáng)極。除了甲醇以外的烴類(lèi)燃料如汽油也可用作燃料。
如果注入重整爐1的重整催化劑未達(dá)到活化溫度，例如在系統(tǒng)剛起動(dòng)時(shí)，作為氧化劑的空氣就從壓縮機(jī)5提供給重整爐1，并且也可進(jìn)行因甲醇部分氧化而引起的重整。由于部分氧化反應(yīng)是放熱反應(yīng)，因此重整催化劑可被反應(yīng)熱加熱。
來(lái)自壓縮機(jī)5的空氣提供到燃料電池4的陰極。燃料電池4使用重整氣體中的氫氣和空氣中的氧氣發(fā)電。未用于發(fā)電的多余氫氣和多余氧氣在燃燒室6中燃燒。如果需要就從壓縮機(jī)5向燃燒室6供應(yīng)空氣。
此燃燒熱用于蒸發(fā)供應(yīng)到重整爐1的甲醇和水，或者用于在重整爐1內(nèi)在蒸汽重整過(guò)程中補(bǔ)償熱吸收。燃燒后的氣體作為廢氣排放到大氣中。
電池7通過(guò)功率調(diào)節(jié)器8連接到燃料電池4。電池7儲(chǔ)存燃料電池4所產(chǎn)生的多余電力，并且儲(chǔ)存車(chē)輛減速時(shí)電動(dòng)機(jī)9再生的電力。此控制由功率調(diào)節(jié)器8執(zhí)行。當(dāng)燃料電池4不產(chǎn)生供發(fā)動(dòng)機(jī)9驅(qū)動(dòng)車(chē)輛的電力或不產(chǎn)生用于重整爐1、壓縮機(jī)5和燃燒室6的功率時(shí)，電池7放電，以補(bǔ)償電力不足。檢測(cè)充電狀態(tài)(SOC)的SOC傳感器13連接到電池7。SOC傳感器13基于電池7的I/O端之間的電勢(shì)差檢測(cè)SOC。
控制器10包括一個(gè)或多個(gè)微處理器、存儲(chǔ)器以及I/O接口?？刂破?0基于加速器壓下量傳感器11和車(chē)速傳感器12計(jì)算所需的功率，傳感器11檢測(cè)加速踏板的壓下量。控制器10基于SOC傳感器13的信號(hào)控制功率調(diào)節(jié)器8的功率分配，同時(shí)控制燃料電池電力系統(tǒng)100。電動(dòng)機(jī)9由燃料電池4和電池7提供的電力驅(qū)動(dòng)，并通過(guò)減速傳動(dòng)裝置14驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪15。
圖2為示出在控制器10控制燃料電池電力系統(tǒng)100時(shí)的處理的流程圖。
首先，在步驟S1中，讀取SOC傳感器13檢測(cè)到的電池7的充電狀態(tài)SOC。
在步驟S2中，確定用于確定儲(chǔ)存在控制器10的存儲(chǔ)器中的SOC的標(biāo)記X。當(dāng)標(biāo)記X為“1”時(shí)，程序前進(jìn)到步驟S3，并且當(dāng)標(biāo)記X為“0”時(shí)，程序前進(jìn)到步驟S4。
在步驟S3中，判斷SOC是否大于上限SOC H。如果完全充電狀態(tài)的SOC設(shè)定為1.0，SOC_H就設(shè)定為0.8。當(dāng)SOC小于SOC_H時(shí)，程序前進(jìn)到步驟S5，并且當(dāng)SOC較大時(shí)，程序前進(jìn)到步驟S6。
在步驟S5中，參照?qǐng)D6中示出的圖形，燃料電池電力系統(tǒng)100由根據(jù)電負(fù)荷需要量的時(shí)間平均值(以下詳細(xì)描述)確定的工作負(fù)荷控制，并且程序前進(jìn)到步驟S9，其中圖6是通過(guò)在圖3中根據(jù)圖4和圖5的SOC增加補(bǔ)償量而得到的。
當(dāng)SOC大于上限SOC_H時(shí)，在步驟S6中在標(biāo)記X中存入“0”，并且程序前進(jìn)到步驟S8。
當(dāng)在步驟S2中標(biāo)記X為“0”時(shí)，程序前進(jìn)到步驟S4，判斷SOC是否小于下限SOC_L。如果完全充電狀態(tài)的SOC設(shè)定為1.0，SOC_L就設(shè)定為0.6。當(dāng)SOC小于下限SOC_L時(shí)，程序前進(jìn)到步驟S7，并且當(dāng)SOC大于下限SOC_L時(shí)，程序前進(jìn)到步驟S8。
在步驟S7中，往標(biāo)記X中存入“1”，并且程序前進(jìn)到步驟S9。
在步驟S8中，進(jìn)行空轉(zhuǎn)操作或停止燃料電池電力系統(tǒng)100的操作，并且程序前進(jìn)到步驟S9。燃料電池電力系統(tǒng)100的停止只意味著系統(tǒng)停止并且每個(gè)部件的溫度因燃料電池電力系統(tǒng)100的熱散失而逐漸降低。空轉(zhuǎn)操作指由燃料電池4產(chǎn)生的電力和壓縮機(jī)5等所消耗的電力平衡的狀態(tài)，或者指在使重整爐1和蒸發(fā)器的溫度不致下降太多的程度上維持熱待機(jī)狀態(tài)的狀態(tài)，蒸發(fā)器未示出，用于蒸發(fā)燃料。
在步驟S9中，程序返回到起點(diǎn)。
上述控制防止燃料電池電力系統(tǒng)100在空轉(zhuǎn)操作或停止和重新操作之間頻繁轉(zhuǎn)換，而且可抑制因重復(fù)停止和重新操作而引起的系統(tǒng)效率下降。當(dāng)SOC達(dá)到上限SOC_H時(shí)，可通過(guò)把燃料電池電力系統(tǒng)100的操作狀態(tài)轉(zhuǎn)換為空轉(zhuǎn)操作狀態(tài)或停止?fàn)顟B(tài)而防止電池7的過(guò)度充電。
下面描述圖3所示的圖形。根據(jù)圖3所示的圖形，燃料電池電力系統(tǒng)100的工作負(fù)荷基本上根據(jù)電負(fù)荷需要量的時(shí)間平均值來(lái)確定。
圖中的范圍A是其中電負(fù)荷需要量的時(shí)間平均值小于與燃料電池電力系統(tǒng)100最大效率工況點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的負(fù)荷的范圍。在范圍A中，如果電池7的SOC低于上限SOC_H，燃料電池電力系統(tǒng)100就在對(duì)應(yīng)于最大效率工況點(diǎn)的預(yù)定負(fù)荷下工作，而與電負(fù)荷需要量無(wú)關(guān)；如果SOC高于上限，燃料電池電力系統(tǒng)100就空轉(zhuǎn)操作或停止。
范圍B是使電負(fù)荷需要量的時(shí)間平均值與燃料電池電力系統(tǒng)100的工作負(fù)荷相當(dāng)?shù)姆秶?。亦即，燃料電池電力系統(tǒng)100的工作負(fù)荷被控制得與電負(fù)荷需要量的時(shí)間平均值保持一致。因此，系統(tǒng)在高負(fù)荷下工作的效率可得到顯著提高。而且，由于傳感器和流量控制閥只需對(duì)應(yīng)于在與最大效率工況點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的預(yù)定負(fù)荷之上和在額定負(fù)荷之下的負(fù)荷范圍，因此用于響應(yīng)的需要量可降低并且成本下降。
范圍C是其中電負(fù)荷需要量的時(shí)間平均值超過(guò)燃料電池電力系統(tǒng)100額定負(fù)荷的范圍。在范圍C中，燃料電池電力系統(tǒng)100在額定負(fù)荷下工作，并且總是由電池7來(lái)補(bǔ)償不足的電力。因此，如果設(shè)計(jì)成電動(dòng)機(jī)9的最大額定值小于燃料電池電力系統(tǒng)100的額定值，范圍C就不存在。
因此，在燃料電池電力系統(tǒng)100的最小負(fù)荷工況(等于或稍微小于最大效率工況點(diǎn))和空轉(zhuǎn)操作或停止之間的范圍是燃料電池電力系統(tǒng)100不必與之一致的負(fù)荷范圍。由于燃料電池電力系統(tǒng)100不必是具有大調(diào)節(jié)比的燃料電池系統(tǒng)，因此可抑制用于傳感器或流量控制閥響應(yīng)的需要量，并且可降低成本。在這，調(diào)節(jié)比是燃料電池電力系統(tǒng)的額定值和實(shí)際工作負(fù)荷的比值。例如，當(dāng)最小工作負(fù)荷占100％額定值的20％時(shí)，最大調(diào)節(jié)比為5，而當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)速為8000rpm且空轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為800rpm時(shí)，最大調(diào)節(jié)比為10。
盡管在圖3中燃料電池電力系統(tǒng)100的工作負(fù)荷根據(jù)電負(fù)荷需要量的時(shí)間平均值確定，但燃料電池電力系統(tǒng)100的工作負(fù)荷可根據(jù)電負(fù)荷需要量的瞬時(shí)值確定。
圖4為根據(jù)SOC補(bǔ)償燃料電池電力系統(tǒng)100在圖3范圍B中的工作負(fù)荷的圖形。根據(jù)此圖形，如果SOC為上限SOC_H，就不補(bǔ)償工作負(fù)荷。當(dāng)SOC從上限SOC_H降低時(shí)，工作負(fù)荷補(bǔ)償量ASOC1在正的一側(cè)上增加，并且部分多余的發(fā)電量用于對(duì)電池7充電。另一方面，當(dāng)SOC從上限SOC_H增加時(shí)，工作負(fù)荷補(bǔ)償量ASOC1在負(fù)的一側(cè)上增加，因此所作的補(bǔ)償用于減少工作負(fù)荷，并且抑制多余的發(fā)電。
圖5為用于根據(jù)電池7的SOC補(bǔ)償圖3的范圍A和范圍B的工作模式之間轉(zhuǎn)換閾值的圖形。
根據(jù)此圖形，如果SOC為上限SOC_H，就不補(bǔ)償工作模式轉(zhuǎn)換點(diǎn)G。當(dāng)SOC從上限SOC_H降低時(shí)，補(bǔ)償量ASOC2變小，并且工作模式轉(zhuǎn)換點(diǎn)G在電負(fù)荷需要量的時(shí)間平均值變小的方向上補(bǔ)償。當(dāng)SOC從上限SOC_H增加時(shí)，補(bǔ)償量ASOC2增加，并且工作模式轉(zhuǎn)換點(diǎn)G在電負(fù)荷需要量的時(shí)間平均值變大的方向上補(bǔ)償。
由于此補(bǔ)償，即使電負(fù)荷需要量的時(shí)間平均值繼續(xù)等于或稍微小于預(yù)定負(fù)荷，電池7也可迅速充電，并且當(dāng)車(chē)輛熄火時(shí)(當(dāng)操作終止時(shí))也可保證足夠的SOC。也就是說(shuō)，如果圖3的轉(zhuǎn)換點(diǎn)G是最大效率點(diǎn)G(例如20％負(fù)荷)，那么工作模式范圍轉(zhuǎn)換閾值就在與此相鄰的范圍內(nèi)波動(dòng)。
圖6為與圖4和圖5的SOC相應(yīng)的補(bǔ)償增加到圖3中圖形而得到的圖形。在圖2所示流程圖中，基于圖6中圖形確定燃料電池電力系統(tǒng)100的工作負(fù)荷。
例如，對(duì)于當(dāng)電池7的SOC稍小于上限SOC_H時(shí)的SOC_H-α而言，電負(fù)荷需要量的時(shí)間平均值與燃料電池電力系統(tǒng)100的工作負(fù)荷之間的關(guān)系移至虛線L1。對(duì)于當(dāng)SOC大于上限SOC_H時(shí)的SOC_H+α而言，電負(fù)荷需要量的時(shí)間平均值與燃料電池電力系統(tǒng)100的工作負(fù)荷之間的關(guān)系移至點(diǎn)劃線L2。
盡管在圖2所示的處理(步驟S5)中參照?qǐng)D6所示圖形確定燃料電池電力系統(tǒng)100的工作負(fù)荷，但可執(zhí)行圖7所示的子程序并且確定工作負(fù)荷。
首先，在步驟S11中，讀取電負(fù)荷需要量的時(shí)間平均值A(chǔ)VERL和電池7的充電狀態(tài)SOC。
在步驟S12中，確定AVERL是否大于工作模式轉(zhuǎn)換閾值RLTH。工作模式轉(zhuǎn)換閾值RLTH是通過(guò)根據(jù)充電狀態(tài)SOC補(bǔ)償預(yù)定負(fù)荷RLTH0(例如20％)補(bǔ)償量ASOC2而獲得的值，并且通過(guò)下式(1)計(jì)算RLTH＝RLTH0+ASOC2 …… (1)補(bǔ)償量ASOC2參照?qǐng)D5所示的圖形確定。
在步驟S12中，當(dāng)AVERL大于運(yùn)行模式閾值RLTH時(shí)，程序前進(jìn)到步驟S13，并且根據(jù)電負(fù)荷需要量確定燃料電池電力系統(tǒng)100的工作負(fù)荷FCL。在此實(shí)施例中，電負(fù)荷需要量基于加速器壓下量傳感器11和車(chē)輛速度傳感器12的輸出信號(hào)計(jì)算，并且電負(fù)荷需要量的時(shí)間平均值A(chǔ)VERL根據(jù)充電狀態(tài)SOC補(bǔ)償一個(gè)補(bǔ)償量ASOC1以確定工作負(fù)荷FCL。工作負(fù)荷FCL用下式(2)計(jì)算FCL＝AVERL+ASOC1 …… (2)補(bǔ)償量ASOC1參照?qǐng)D4所示的圖形確定。當(dāng)AVERL小于工作模式閾值RLTH時(shí)，程序前進(jìn)到步驟S14，燃料電池電力系統(tǒng)100的工作負(fù)荷FCL設(shè)定為預(yù)定負(fù)荷RLTH0，并且燃料電池電力系統(tǒng)100在預(yù)定負(fù)荷RLTH0下操作。
即使執(zhí)行圖7所示的子程序，也可獲得與上述相同的效果。
下面，將參照?qǐng)D8-圖14描述本發(fā)明的效果。
圖8示出當(dāng)燃料電池車(chē)輛以正常運(yùn)行模式運(yùn)行時(shí)電負(fù)荷需要量的實(shí)例。在這運(yùn)行負(fù)荷被認(rèn)為是電負(fù)荷需要量。
圖9示出圖8預(yù)定時(shí)間的平均值(在此瞬間以前20秒內(nèi)的電負(fù)荷需要量的平均值)。在此，希望電負(fù)荷需要量的時(shí)間平均值是電負(fù)荷需要量在比燃料電池電力系統(tǒng)100起動(dòng)時(shí)間更短的時(shí)間間隔內(nèi)的平均值。如果計(jì)算此平均值的時(shí)間比燃料電池電力系統(tǒng)100的起動(dòng)時(shí)間更短，燃料電池系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)的工作負(fù)荷可通過(guò)完成燃料電池起動(dòng)的時(shí)間來(lái)確定。
圖10示出燃料電池電力系統(tǒng)100和系統(tǒng)效率之間的關(guān)系。
在圖中的范圍D內(nèi)，盡管燃料電池4的效率本身較高，但系統(tǒng)效率由于空氣供應(yīng)系統(tǒng)的效率降低或重整爐1的效率降低而下降。
在范圍F內(nèi)，系統(tǒng)效率由于燃料電池4本身的效率降低和空氣供應(yīng)系統(tǒng)的效率降低而下降，空氣供應(yīng)系統(tǒng)效率降低是因?yàn)樵黾庸ぷ鲏毫σ员阍诟哓?fù)荷下操作燃料電池4而導(dǎo)致的。
范圍E是在范圍D和F之間的范圍，并且是其中系統(tǒng)效率較高且包括最大效率工況點(diǎn)的范圍。根據(jù)圖5所示SOC(圖5中的點(diǎn)G)對(duì)工作模式轉(zhuǎn)換閾值的補(bǔ)償設(shè)定得使工作模式轉(zhuǎn)換閾值RLTH落在范圍E內(nèi)。
圖11示出當(dāng)燃料電池車(chē)輛以圖8所示正常運(yùn)行模式運(yùn)行時(shí)燃料的消耗。假設(shè)燃料電池電力系統(tǒng)100具有圖10所示的特性。圖11的水平軸是被燃料電池電力系統(tǒng)100覆蓋的負(fù)荷范圍的最小值(系統(tǒng)最小負(fù)荷)，并且對(duì)應(yīng)于圖3的最小負(fù)荷工況點(diǎn)。當(dāng)燃料電池電力系統(tǒng)100覆蓋0-100％負(fù)荷的滿負(fù)荷范圍時(shí)，系統(tǒng)最小負(fù)荷變?yōu)?％，并且當(dāng)系統(tǒng)100覆蓋20-100％負(fù)荷時(shí)，系統(tǒng)最小負(fù)荷變?yōu)?0％。以下描述燃料電池電力系統(tǒng)100的不同工作情況。
情況1示出當(dāng)燃料電池電力系統(tǒng)100的傳感器和流量控制閥的靈敏度、分辨率和精確度增加并且燃料電池電力系統(tǒng)100的操作跟隨圖8所示電負(fù)荷需要量在滿負(fù)荷區(qū)域內(nèi)的瞬時(shí)值時(shí)的燃料消耗。
情況2示出當(dāng)燃料電池電力系統(tǒng)100的操作跟隨圖9所示電負(fù)荷需要量在滿負(fù)荷區(qū)域內(nèi)的時(shí)間平均值時(shí)的燃料消耗。在此情況中，需要高分辨率和精確度的傳感器和流量控制閥，但可降低對(duì)高靈敏度的要求。其燃料消耗比情況1更糟的原因是在正常運(yùn)行中頻繁需要與圖10范圍D對(duì)應(yīng)的電負(fù)荷，并且燃料電池電力系統(tǒng)通過(guò)采用電負(fù)荷的時(shí)間平均值而頻繁在具有甚至更低效率的負(fù)荷下工作。
情況3示出當(dāng)燃料電池電力系統(tǒng)100的工作負(fù)荷限制在圖3范圍B內(nèi)并且燃料電池電力系統(tǒng)100的操作只跟隨范圍B內(nèi)電負(fù)荷需要量的瞬時(shí)值時(shí)的燃料消耗。與情況1和2相比，燃料消耗降低(燃料成本-性能提高)，并且在系統(tǒng)最小負(fù)荷等于系統(tǒng)最大效率工況點(diǎn)處獲得最優(yōu)燃料消耗。由于燃料電池電力系統(tǒng)100只需對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)最小負(fù)荷-100％負(fù)荷的負(fù)荷范圍，因此，可使用具有大約為5的小調(diào)節(jié)比的系統(tǒng)，不需要高分辨率或精確度的傳感器或流量控制閥，并且使系統(tǒng)成本降低。
情況4示出當(dāng)燃料電池電力系統(tǒng)100的工作負(fù)荷限制在圖3范圍B內(nèi)并且燃料電池電力系統(tǒng)100的操作只跟隨范圍B內(nèi)電負(fù)荷需要量的時(shí)間平均值時(shí)的燃料消耗。在情況4中，燃料消耗比情況3中進(jìn)一步降低。在這，與情況3一樣，在系統(tǒng)最小負(fù)荷等于系統(tǒng)最大效率工況點(diǎn)處獲得最優(yōu)燃料消耗，因此，可使用具有大約為5的小調(diào)節(jié)比的系統(tǒng)，不需要高分辨率或精確度的傳感器或流量控制閥。而且，對(duì)靈敏度的要求比情況3中的更低。
圖12和圖13分別示出情況1(未應(yīng)用本發(fā)明時(shí))和情況4(應(yīng)用本發(fā)明時(shí))中的系統(tǒng)效率的變化。
在圖12中看出，系統(tǒng)經(jīng)常在低效率范圍內(nèi)使用具有大調(diào)節(jié)比、高分辨率和高精確度的燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行工作。另一方面，在圖13中看出，系統(tǒng)只在接近于最大效率點(diǎn)處使用具有小調(diào)節(jié)比的燃料電池電力系統(tǒng)工作，其中分辨率和精確度沒(méi)有圖12中那么高。因此，根據(jù)本發(fā)明，具有低燃料消耗的燃料電池車(chē)輛可通過(guò)使用廉價(jià)的燃料電池電力系統(tǒng)和廉價(jià)的電池而實(shí)現(xiàn)。
圖14中示出情況4中的SOC變化。
圖中的點(diǎn)H是SOC因設(shè)置電池而已下降的點(diǎn)，此電池具有在燃料電池電力系統(tǒng)100起動(dòng)時(shí)起動(dòng)燃料電池電力系統(tǒng)100所需的電力和運(yùn)行所需的電力。而且，在SOC超過(guò)SOC_H的部分，用電動(dòng)機(jī)9再生的電力對(duì)電池7充電。在圖中，“OFF”指SOC已達(dá)到上限SOC_H并且燃料電池電力系統(tǒng)100的操作已停止。“ON”指SOC已達(dá)到下限SOC_L并且已在預(yù)定負(fù)荷下開(kāi)始操作。例如，如果完全充電時(shí)的SOC為1，那么SOC_H將設(shè)定為0.8并且SOC_L將設(shè)定為0.6。
本發(fā)明不局限于前述實(shí)施例。例如，在上述實(shí)施例中，盡管通過(guò)采用時(shí)間平均值而進(jìn)行電負(fù)荷的濾波，但也可用其它方法進(jìn)行濾波，例如使用具有延遲時(shí)間常數(shù)的濾波器。即使根據(jù)用另一濾波方法進(jìn)行濾波的電負(fù)荷控制燃料電池電力系統(tǒng)100的工作負(fù)荷，也可獲得與上述實(shí)施例相同的效果。
盡管上述燃料電池電力系統(tǒng)100設(shè)置有重整爐，但本發(fā)明也可應(yīng)用于以氫氣儲(chǔ)存器件代替重整爐的系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中氫氣從氫氣儲(chǔ)存器件供應(yīng)到燃料電池。燃料電池電力系統(tǒng)可以不基于電負(fù)荷需要量而是基于實(shí)際消耗的負(fù)荷值工作。另外，在上述實(shí)施例中，運(yùn)行負(fù)荷被認(rèn)為是電負(fù)荷，但是除了運(yùn)行負(fù)荷之外，也可包括諸如空調(diào)器的輔助電力。這是因?yàn)榭赏ㄟ^(guò)電池吸收此種程度的差值。
日本專(zhuān)利申請(qǐng)P2000-332946(2000年10月4日提交)的全部?jī)?nèi)容在此引作參考。
盡管本發(fā)明已參照本發(fā)明的一定實(shí)施例進(jìn)行了描述，但本發(fā)明并不局限于上述實(shí)施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)以上論述可對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修改和變更。本發(fā)明范圍在后附權(quán)利要求中定義。工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域在電負(fù)荷在0-100％之間大幅變化的燃料電池車(chē)輛中，本發(fā)明有助于高效率地運(yùn)行燃料電池電力系統(tǒng)并且提高燃料電池車(chē)輛的燃料成本-性能。本發(fā)明還有助于在燃料電池電力系統(tǒng)中降低傳感器和流量控制閥所需的靈敏度和精確度，并從而降低成本。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池車(chē)輛，其中包括用氫氣和氧氣發(fā)電的燃料電池電力系統(tǒng)(100)；用于車(chē)輛驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)(9)，它通過(guò)接收從燃料電池電力系統(tǒng)(100)供應(yīng)的電力而運(yùn)轉(zhuǎn)；以及具備以下功能的控制器(10)計(jì)算車(chē)輛運(yùn)行所需的電負(fù)荷需要量，當(dāng)電負(fù)荷需要量小于一預(yù)定負(fù)荷時(shí)，在與電負(fù)荷需要量無(wú)關(guān)的恒定負(fù)荷下運(yùn)行燃料電池電力系統(tǒng)(100)，以及當(dāng)電負(fù)荷需要量大于預(yù)定負(fù)荷時(shí)，在與電負(fù)荷需要量相應(yīng)的負(fù)荷下運(yùn)行燃料電池電力系統(tǒng)(100)。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料電池車(chē)輛，其中，電負(fù)荷需要量是車(chē)輛運(yùn)行所需的電負(fù)荷的瞬時(shí)值。
3.如權(quán)利要求1所述的燃料電池車(chē)輛，其中，電負(fù)荷需要量是車(chē)輛運(yùn)行所需的電負(fù)荷的時(shí)間平均值。
4.如權(quán)利要求1所述的燃料電池車(chē)輛，其中，在預(yù)定負(fù)荷下的穩(wěn)定狀態(tài)操作包括在恒定負(fù)荷操作內(nèi)。
5.如權(quán)利要求1所述的燃料電池車(chē)輛，其中，空轉(zhuǎn)操作包括在恒定負(fù)荷操作內(nèi)。
6.如權(quán)利要求1所述的燃料電池車(chē)輛，其中，停止?fàn)顟B(tài)包括在恒定負(fù)荷操作內(nèi)。
7.如權(quán)利要求4所述的燃料電池車(chē)輛，其中進(jìn)一步包括儲(chǔ)存由燃料電池電力系統(tǒng)(100)產(chǎn)生的電力的電池(7)；以及檢測(cè)電池(7)充電狀態(tài)的傳感器(13)，其中控制器(10)進(jìn)一步用于當(dāng)電池(7)的充電狀態(tài)達(dá)到預(yù)定上限時(shí)，把燃料電池電力系統(tǒng)(100)的操作狀態(tài)從穩(wěn)定狀態(tài)操作轉(zhuǎn)換成空轉(zhuǎn)操作狀態(tài)。
8.如權(quán)利要求4所述的燃料電池車(chē)輛，其中進(jìn)一步包括儲(chǔ)存由燃料電池電力系統(tǒng)(100)產(chǎn)生的電力的電池(7)；以及檢測(cè)電池(7)充電狀態(tài)的傳感器(13)，其中控制器(10)進(jìn)一步用于當(dāng)電池(7)的充電狀態(tài)達(dá)到預(yù)定上限時(shí)，把燃料電池電力系統(tǒng)(100)的操作狀態(tài)從穩(wěn)定狀態(tài)操作轉(zhuǎn)換成停止?fàn)顟B(tài)。
9.如權(quán)利要求1所述的燃料電池車(chē)輛，其中，預(yù)定負(fù)荷是對(duì)應(yīng)于燃料電池電力系統(tǒng)(100)的最大效率工況點(diǎn)的負(fù)荷。
10.如權(quán)利要求1所述的燃料電池車(chē)輛，其中，控制器(10)進(jìn)一步用于當(dāng)電負(fù)荷需要量大于預(yù)定負(fù)荷時(shí)，連續(xù)運(yùn)行燃料電池電力系統(tǒng)(100)以使燃料電池電力系統(tǒng)(100)的工作負(fù)荷為電負(fù)荷需要量。
11.如權(quán)利要求1所述的燃料電池車(chē)輛，其中進(jìn)一步包括儲(chǔ)存由燃料電池電力系統(tǒng)(100)產(chǎn)生的電力的電池(7)；以及檢測(cè)電池(7)充電狀態(tài)的傳感器(13)，其中，控制器(10)進(jìn)一步用于當(dāng)電池(7)的充電狀態(tài)達(dá)到預(yù)定下限時(shí)，運(yùn)行燃料電池電力系統(tǒng)(100)以便對(duì)電池(7)充電直到電池(7)的充電狀態(tài)達(dá)到預(yù)定上限，以及當(dāng)電池(7)的充電狀態(tài)達(dá)到預(yù)定上限時(shí)，以空轉(zhuǎn)操作狀態(tài)運(yùn)行燃料電池電力系統(tǒng)(100)，直到電池(7)的充電狀態(tài)達(dá)到預(yù)定下限。
12.如權(quán)利要求1所述的燃料電池車(chē)輛，其中進(jìn)一步包括儲(chǔ)存由燃料電池電力系統(tǒng)(100)產(chǎn)生的電力的電池(7)；以及檢測(cè)電池(7)充電狀態(tài)的傳感器(13)，其中，控制器(10)進(jìn)一步用于當(dāng)電池(7)的充電狀態(tài)達(dá)到預(yù)定下限時(shí)，運(yùn)行燃料電池電力系統(tǒng)(100)以便對(duì)電池(7)充電直到電池(7)的充電狀態(tài)達(dá)到預(yù)定上限，以及當(dāng)電池(7)的充電狀態(tài)達(dá)到預(yù)定上限時(shí)，停止燃料電池電力系統(tǒng)(100)的操作，直到電池(7)的充電狀態(tài)達(dá)到預(yù)定下限。
13.如權(quán)利要求1所述的燃料電池車(chē)輛，其中進(jìn)一步包括儲(chǔ)存由燃料電池電力系統(tǒng)(100)產(chǎn)生的電的電池(7)；以及檢測(cè)電池(7)充電狀態(tài)的傳感器(13)，其中，控制器(10)進(jìn)一步用于根據(jù)電池(7)的充電狀態(tài)補(bǔ)償預(yù)定負(fù)荷。
14.如權(quán)利要求3所述的燃料電池車(chē)輛，其中，電負(fù)荷需要量的時(shí)間平均值是電負(fù)荷需要量在比燃料電池電力系統(tǒng)(100)的起動(dòng)時(shí)間更短的時(shí)間間隔內(nèi)的平均值。
15.如權(quán)利要求1所述的燃料電池車(chē)輛，其中進(jìn)一步包括儲(chǔ)存由燃料電池電力系統(tǒng)(100)產(chǎn)生的電的電池(7)，其中，控制器(10)進(jìn)一步用于當(dāng)電負(fù)荷需要量大于預(yù)定負(fù)荷時(shí)，連續(xù)運(yùn)行燃料電池電力系統(tǒng)(100)以使燃料電池電力系統(tǒng)(100)的工作負(fù)荷是通過(guò)根據(jù)電池(7)的充電狀態(tài)補(bǔ)償電負(fù)荷需要量而得到的值。
16.一種燃料電池車(chē)輛，其中包括用氫氣和氧氣發(fā)電的燃料電池電力系統(tǒng)(100)；用于車(chē)輛驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)(9)，它通過(guò)接收從燃料電池電力系統(tǒng)(100)供應(yīng)的電力而運(yùn)轉(zhuǎn)；儲(chǔ)存由燃料電池電力系統(tǒng)(100)產(chǎn)生的電力的電池(7)；檢測(cè)電池(7)充電狀態(tài)的傳感器(13)；以及具備以下功能的控制器(10)計(jì)算車(chē)輛運(yùn)行所需的電負(fù)荷需要量，當(dāng)電負(fù)荷需要量小于一預(yù)定負(fù)荷時(shí)，在與電負(fù)荷需要量無(wú)關(guān)的恒定負(fù)荷下運(yùn)行燃料電池電力系統(tǒng)(100)，當(dāng)電負(fù)荷需要量大于預(yù)定負(fù)荷時(shí)，在與電負(fù)荷需要量相應(yīng)的負(fù)荷下運(yùn)行燃料電池電力系統(tǒng)(100)，當(dāng)電池(7)的充電狀態(tài)達(dá)到一預(yù)定下限時(shí)，運(yùn)行燃料電池電力系統(tǒng)(100)以便對(duì)電池(7)充電直到電池(7)的充電狀態(tài)達(dá)到一預(yù)定上限，以及當(dāng)電池(7)的充電狀態(tài)達(dá)到預(yù)定上限時(shí)，以空轉(zhuǎn)操作狀態(tài)運(yùn)行燃料電池電力系統(tǒng)(100)，直到電池(7)的充電狀態(tài)達(dá)到預(yù)定下限。
17.一種燃料電池車(chē)輛，其中包括用氫氣和氧氣發(fā)電的燃料電池電力系統(tǒng)(100)；用于車(chē)輛驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)(9)，它通過(guò)接收從燃料電池電力系統(tǒng)(100)供應(yīng)的電力而運(yùn)轉(zhuǎn)；儲(chǔ)存由燃料電池電力系統(tǒng)(100)產(chǎn)生的電力的電池(7)；檢測(cè)電池(7)充電狀態(tài)的傳感器(13)；以及具備以下功能的控制器(10)計(jì)算車(chē)輛運(yùn)行所需的電負(fù)荷需要量，當(dāng)電負(fù)荷需要量小于一預(yù)定負(fù)荷時(shí)，在與電負(fù)荷需要量無(wú)關(guān)的恒定負(fù)荷下運(yùn)行燃料電池電力系統(tǒng)(100)，當(dāng)電負(fù)荷需要量大于預(yù)定負(fù)荷時(shí)，在與電負(fù)荷需要量相應(yīng)的負(fù)荷下運(yùn)行燃料電池電力系統(tǒng)(100)，當(dāng)電池(7)的充電狀態(tài)達(dá)到一預(yù)定下限時(shí)，運(yùn)行燃料電池電力系統(tǒng)(100)以便對(duì)電池(7)充電直到電池(7)的充電狀態(tài)達(dá)到一預(yù)定上限，以及當(dāng)電池(7)的充電狀態(tài)達(dá)到預(yù)定上限時(shí)，停止燃料電池電力系統(tǒng)(100)的操作，直到電池(7)的充電狀態(tài)達(dá)到預(yù)定下限。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于燃料電池車(chē)輛中燃料電池電力系統(tǒng)的工作負(fù)荷控制。燃料電池車(chē)輛用來(lái)自燃料電池電力系統(tǒng)(100)的電力驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)(9),燃料電池電力系統(tǒng)(100)包括用氫氣和氧氣發(fā)電的燃料電池(4)?？刂破?10)計(jì)算車(chē)輛運(yùn)行所需的電負(fù)荷需要量。當(dāng)此值低于預(yù)定負(fù)荷時(shí),執(zhí)行燃料電池電力系統(tǒng)(100)的恒定負(fù)荷操作;當(dāng)此值超過(guò)預(yù)定負(fù)荷值時(shí),燃料電池電力系統(tǒng)(100)在與電負(fù)荷需要量相應(yīng)的負(fù)荷下操作。由此可降低對(duì)安裝在燃料電池電力系統(tǒng)中的各種傳感器或流量控制閥的分辨率和精確度的要求,成本得以降低,并且通過(guò)保持有效的操作狀態(tài)而提高燃料成本－性能。
文檔編號(hào)H01M16/00GK1388781SQ01802387
公開(kāi)日2003年1月1日 申請(qǐng)日期2001年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2000年10月31日
發(fā)明者巖崎靖和 申請(qǐng)人:日產(chǎn)自動(dòng)車(chē)株式會(huì)社