BR112018011983B1

BR112018011983B1 - Sistema de célula de combustível

Info

Publication number: BR112018011983B1
Application number: BR112018011983-0A
Authority: BR
Inventors: Kenta Suzuki; Mitsunori Kumada
Original assignee: Nissan Motor Co., Ltd.
Priority date: 2015-12-15
Filing date: 2016-10-20
Publication date: 2022-09-06
Also published as: US20200282848A1; BR112018011983A2; EP3392942A4; EP3392942A1; WO2017104256A1; CN108432012B; US11465505B2; CN108432012A; JPWO2017104256A1; CA3008117A1; EP3392942B1; CA3008117C; JP6508360B2

Abstract

A presente invenção refere-se a um sistema de célula de combustível no qual uma célula de combustível é acoplada a uma bateria de acionamento do motor e a máquina auxiliar veicular é acoplada à bateria de acionamento do motor por meio de um primeiro conversor de voltagem, o sistema de célula de combustível incluindo uma máquina auxiliar de célula de combustível acoplada ao primeiro conversor de voltagem; e um segundo conversor de voltagem que acopla a máquina auxiliar de célula de combustível à célula de combustível.

Description

Campo Técnico

[001] A presente invenção refere-se a um sistema de célula de combustível.

Antecedentes da Técnica

[002] JP 2014-68490A descreve uma configuração na qual, uma célula de combustível é acoplada a uma linha que acopla a bateria de acionamento do motor a um motor de acionamento, uma bateria de baixa tensão é acoplada a uma linha por meio de um conversor de tensão de modo a usar a referida bateria de baixa tensão como um suprimento de energia elétrica para um dispositivo de controle de veículo. Para uma célula de combustível em veículo, é proposto se usar uma célula de combustível de óxido sólido, que tem uma conversão de eficiência superior àquela de uma célula de combustível de polímero sólido convencional.

Sumário da Invenção

[003] Embora o acionamento da célula de combustível de óxido sólido requeira uma máquina auxiliar, energia elétrica não pode ser gerada em um controle de ativação e um controle de parada de uma célula de combustível; portanto, é necessário para proporcionar energia elétrica para a máquina auxiliar a partir do lado de fora. Nesse caso, embora uma possível configuração seja de acoplar a referida máquina auxiliar ao acima mencionado conversor de tensão, uma carga para o conversor de tensão aumenta.

[004] É um objetivo da presente invenção se proporcionar um sistema de célula de combustível configurado para realizar uma operação autossustentada de uma célula de combustível ao mesmo tempo em que reduz uma carga para um conversor de tensão eletricamente acoplado a uma bateria de acionamento do motor.

[005] Um sistema de célula de combustível de acordo com uma modalidade da presente invenção é um sistema de célula de combustível no qual uma célula de combustível é acoplada a uma bateria de acionamento do motor e uma máquina auxiliar veicular é acoplada à bateria de acionamento do motor por meio de um primeiro conversor de tensão, o sistema de célula de combustível incluindo uma máquina auxiliar de célula de combustível acoplada ao primeiro conversor de tensão; e um segundo conversor de tensão que acopla a máquina auxiliar de célula de combustível à célula de combustível.

Breve Descrição dos Desenhos

[006] A figura 1 é um diagrama de bloco que ilustra a configuração principal de um sistema de célula de combustível de acordo com uma modalidade.

[007] A figura 2 é um fluxograma que ilustra um procedimento de um controle de ativação do sistema de célula de combustível de acordo com a modalidade.

[008] A figura 3 é um fluxograma que ilustra um procedimento de um controle de parada do sistema de célula de combustível de acordo com a modalidade.

[009] A figura 4 é um fluxograma que ilustra um procedimento de um controle de carga de baixa velocidade do sistema de célula de combustível de acordo com a modalidade.

[010] A figura 5 é um fluxograma que ilustra um procedimento de um controle de carga rápida do sistema de célula de combustível de acordo com a modalidade.

[011] A figura 6 é um fluxograma que ilustra um procedimento de um controle de acoplamento do dispositivo externo em uma geração de energia elétrica normal do sistema de célula de combustível de acordo com a modalidade.

[012] A figura 7 é um fluxograma que ilustra um procedimento do controle de acoplamento do dispositivo externo em uma parada do veículo do sistema de célula de combustível de acordo com a modalidade.

Descrição das Modalidades

[013] A seguir descreve modalidades da presente invenção com referência aos desenhos.

[014] [Configuração de Sistema de célula de combustível de acordo com a Modalidade]

[015] A figura 1 é um diagrama de bloco que ilustra a configuração principal de um sistema de célula de combustível 10 de acordo com a modalidade. O sistema de célula de combustível 10 de acordo com a modalidade é inteiramente controlado por uma unidade de controle 84. O sistema de célula de combustível 10 é configurado de modo que, por exemplo, uma pilha de célula de combustível 52 (uma célula de combustível) é acoplada a uma linha de suprimento de energia elétrica 12 (por exemplo, 360V), que acopla a bateria de acionamento do motor 14 a um motor de acionamento 26 (um inversor de acionamento do motor 24), por meio de uma linha de acoplamento 50. O sistema de célula de combustível 10 é configurado de modo que, por exemplo, uma máquina auxiliar de célula de combustível 80 é acoplado à linha de baixa tensão 72 (por exemplo, 12V), que acopla o conversor de - CC-CC 30 (um primeiro conversor de tensão) acoplado à linha de suprimento de energia elétrica 12 a uma bateria de máquina auxiliar 74. Ademais, o sistema de célula de combustível 10 é configurado de modo que a conversor de CC-CC 82 (um segundo conversor de tensão) acopla a linha de acoplamento 50 à linha de baixa tensão 72.

[016] A bateria de acionamento do motor 14, o inversor de acionamento do motor 24 (o motor de acionamento 26), o conversor de CC-CC 30, a terminal de carregamento de baixa velocidade 32, a terminal de rápido carregamento 36, um terminal de acoplamento externo 40, um sensor de IR 46, e um inversor de condicionador de ar 48 são acoplados à linha de suprimento de energia elétrica 12.

[017] Um conversor de CC-CC 56 (a pilha de célula de combustível 52), um conversor de CC-CC 58 (um compressor 60 e uma bateria do compressor 62), um interruptor 66A (um interruptor de comutação), um interruptor 66B, um circuito de carga 68 constituído de um circuito em série de um elemento resistivo 70 e um interruptor 66C, e o conversor de CC-CC 82 são acoplados à linha de acoplamento 50.

[018] O conversor CC-CC 30, a bateria de máquina auxiliar 74, a máquina auxiliar veicular 78, a máquina auxiliar de célula de combustível 80, e o conversor de CC-CC 82 são acoplados à linha de baixa tensão 72.

[019] A bateria de acionamento do motor 14 inclui um suprimento principal de energia 16 (por exemplo, 360V) acoplado à linha de suprimento de energia elétrica 12, um interruptor 22C acoplado ao lado do polo positivo do suprimento principal de energia 16, e um interruptor 22D acoplado ao lado do polo negativo do suprimento principal de energia 16. O interruptor 22C tem um lado acoplado ao lado de polo positivo do suprimento principal de energia 16 e o outro lado acoplado ao lado do polo positivo da linha de suprimento de energia elétrica 12. O interruptor 22D tem um lado acoplado ao lado do polo negativo do suprimento principal de energia 16 e o outro lado acoplado ao lado do polo negativo da linha de suprimento de energia elétrica 12. No lado de polo positivo do suprimento principal de energia 16, um circuito de carga 18A como um circuito em série de um elemento resistivo 20A e um interruptor 22A é acoplado em paralelo ao interruptor 22C. Ademais, um circuito de carga 18B como um circuito em série de um elemento resistivo 20B e um interruptor 22B é acoplado ao lado da linha de suprimento de energia elétrica 12 do interruptor 22C e ao lado da linha de suprimento de energia elétrica 12 do interruptor 22D. Os circuitos de carga 18A e 18B são temporariamente usados quando a bateria de acionamento do motor 14 é acoplado à linha de suprimento de energia elétrica 12 para carregar uma carga elétrica a, por exemplo, um capacitor dentro do inversor de acionamento do motor 24 e evita danos, por exemplo, à bateria de acionamento do motor 14 e o inversor de acionamento do motor 24 por evitar uma corrente de irrupção em acoplamento.

[020] O inversor de acionamento do motor 24 é acoplado à linha de suprimento de energia elétrica 12 (o lado de polo positivo e o lado do polo negativo), converte energia elétrica (a tensão CC) fornecida a partir da bateria de acionamento do motor 14 ou a pilha de célula de combustível 52 em energia trifásica AC, e fornece a mesma ao motor de acionamento 26 para girar o motor de acionamento 26. O inversor de acionamento do motor 24 converte energia elétrica regenerativa gerada pelo motor de acionamento 26 na frenagem de um veículo em energia elétrica de tensão CC para fornecer a energia elétrica de tensão CC para a bateria de acionamento do motor 14.

[021] Quando o sistema de célula de combustível 10 é parado, a bateria de acionamento do motor 14 é destacada a partir da linha de suprimento de energia elétrica 12. Nesse momento, o capacitor incluído no inversor de acionamento do motor 24 permanece armazenando a carga elétrica; portanto, a linha de suprimento de energia elétrica 12 mantém a alta tensão mesmo após ser retirada. Entretanto, é necessário se reduzir a tensão da linha de suprimento de energia elétrica 12 para igual a ou menos do que uma predeterminada tensão (por exemplo, 60V) de modo a evitar uma fuga elétrica. Portanto, o inversor de acionamento do motor 24 inclui um circuito de descarga 28 para descarregar a carga elétrica armazenada no capacitor de modo a reduzir a tensão da linha de suprimento de energia elétrica 12.

[022] O conversor de CC-CC 30 (um primeiro circuito de conversão de tensão) é acoplado à linha de suprimento de energia elétrica 12 e reduz a tensão CC da linha de suprimento de energia elétrica 12 para fornecer a energia elétrica de baixa tensão CC para a linha de baixa tensão 72.

[023] O terminal de carregamento de baixa velocidade 32 é acoplado a uma fonte de energia CA externa de uma tensão CA, tal como uma fonte de energia doméstica, para carregar a bateria de acionamento do motor 14. O terminal de carregamento de baixa velocidade 32 é acoplado à linha de suprimento de energia elétrica 12 por meio de um carregador 34, que converte a tensão CA em tensão CC aplicada a uma linha de suprimento de energia elétrica 12. O terminal de carregamento de baixa velocidade 32 inclui um interruptor de limite (não ilustrado) para emitir um sinal de detecção para a unidade de controle 84 tão logo o terminal de carregamento de baixa velocidade 32 seja acoplado à fonte de energia CA externa.

[024] O terminal de rápido carregamento 36 é acoplado a um suprimento de energia CC externo, por exemplo, em uma estação de serviço construída similar à estação de gás para fornecer a tensão CC para emitir a referida tensão CC para a linha de suprimento de energia elétrica 12 para carregar rapidamente a bateria de acionamento do motor 14. O terminal de rápido carregamento 36 é acoplado à linha de suprimento de energia elétrica 12 por meio de interruptores 38A e 38B. O terminal de rápido carregamento 36 também inclui um interruptor de limite (não ilustrado) para emitir um sinal de detecção para a unidade de controle 84 tão logo o terminal de rápido carregamento 36 seja acoplado ao suprimento de energia CC externo.

[025] O terminal de acoplamento externo 40 é acoplado a um dispositivo externo, tal como um equipamento doméstico, e aciona o dispositivo externo com a energia elétrica a partir da bateria de acionamento do motor 14 ou a pilha de célula de combustível 52. O terminal de acoplamento externo 40 é acoplado à linha de suprimento de energia elétrica 12 por meio de um inversor de acoplamento externo 42 e interruptores 44A e 44B. Deve ser observado que o terminal de acoplamento externo 40 também inclui um interruptor de limite (não ilustrado) de modo que o interruptor de limite emite um sinal de detecção para a unidade de controle 84 tão logo o terminal de acoplamento externo 40 seja acoplado ao dispositivo externo.

[026] O sensor de IR 46 é acoplado ao lado do polo negativo da linha de suprimento de energia elétrica 12 e um corpo veicular (não ilustrado), aplica uma tensão constante entre ambos os lados, e mede a capacitância parasita entre ambos os lados. Uma resistência de isolamento da linha de suprimento de energia elétrica 12 para o corpo é medida a partir dessa capacitância perdida, e pode ser determinado se uma fuga elétrica da linha de suprimento de energia elétrica 21 está presente ou ausente a partir da magnitude da resistência de isolamento.

[027] Adicionalmente, por exemplo, o inversor de condicionador de ar 48 para um condicionador de ar no veículo é acoplado à linha de suprimento de energia elétrica 12.

[028] A pilha de célula de combustível 52 é a célula de combustível de óxido sólido (SOFC). A pilha de célula de combustível 52 é proporcionada por células empilhadas obtidas por uma camada de eletrólito produzida de um óxido sólido, tal como cerâmica, sendo disposto entre um anodo (um polo combustível) ao qual um gás combustível reformado por um reformador é fornecido ao catodo (um polo de ar) ao qual o ar contendo oxigênio como um gás oxidante é fornecido. A pilha de célula de combustível 52 é acoplado à linha de acoplamento 50 por meio do conversor de CC-CC 56. Deve ser observado que a pilha de célula de combustível 52 inclui um sensor de temperatura 54 que mede a temperatura dentro da pilha de célula de combustível 52.

[029] O conversor de CC-CC 56 tem um lado de entrada acoplado à pilha de célula de combustível 52 e um lado de saída (um lado de aumento) acoplado à linha de acoplamento 50. O conversor de CC-CC 56 aumenta a tensão de saída (por exemplo, 60V ou uma tensão igual a ou menos do que a mesma) da pilha de célula de combustível 52 para uma tensão da linha de suprimento de energia elétrica 12 e fornece a tensão para a linha de acoplamento 50. Isso fornece a energia elétrica a partir da pilha de célula de combustível 52 para a bateria de acionamento do motor 14 ou o motor de acionamento 26 (o inversor de acionamento do motor 24) por meio da linha de acoplamento 50 e a linha de suprimento de energia elétrica 12.

[030] O conversor de CC-CC 58 tem um lado de entrada acoplado à linha de acoplamento 50 e um lado de saída (por exemplo, 42V) acoplado ao compressor 60. O compressor 60 e a bateria do compressor 62 são acoplados em paralelo ao lado de reduzir do conversor de CC-CC 58. O compressor 60 fornece, por exemplo, o gás oxidante (um ar) para a pilha de célula de combustível 52. Deve ser observado que um aferidor de carga 64, que mede a quantidade de carga, é acoplado à bateria do compressor 62.

[031] O interruptor 66A (o interruptor de comutação) é disposto em um lado do polo positivo da linha de acoplamento 50. O interruptor 66A tem um lado acoplado ao lado de polo positivo da linha de suprimento de energia elétrica 12 e o outro lado acoplado, por exemplo, ao conversor de CC-CC 56. De modo similar, o interruptor 66B é disposto em um lado do polo negativo da linha de acoplamento 50. O interruptor 66B tem um lado acoplado ao lado do polo negativo da linha de suprimento de energia elétrica 12 e o outro lado acoplado, por exemplo, ao conversor de CC-CC 56. O interruptor 66A e o interruptor 66B comutam um desligamento (OFF) e um acoplamento (ON) da linha de acoplamento 50. No lado de polo positivo da linha de acoplamento 50, o circuito de carga 68 como um circuito em série do elemento resistivo 70 e o interruptor 66C é acoplado em paralelo ao interruptor 66A. O circuito de carga 68 é temporariamente usado quando a bateria de acionamento do motor 14 é acoplada, por exemplo, ao conversor de CC-CC 56 para carregar uma carga elétrica ao capacitor que pertence, por exemplo, ao conversor de CC-CC 56 e evita danos, por exemplo, à bateria de acionamento do motor 14 e o conversor de CC-CC 56 por evitar uma corrente de irrupção em acoplamento.

[032] A bateria de máquina auxiliar 74 é uma bateria tendo uma tensão de saída mais baixa do que aquela da bateria de acionamento do motor 14. A bateria de máquina auxiliar 74 é carregada por um suprimento de energia elétrica a partir do conversor de CC-CC 30 (o primeiro conversor de tensão) e o conversor de CC-CC 82 (o segundo conversor de tensão) e fornece a energia elétrica para a máquina auxiliar veicular 78 e a máquina auxiliar de célula de combustível 80. Um aferidor de carga 76, que mede a quantidade de carga, é acoplado à bateria de máquina auxiliar 74.

[033] A máquina auxiliar veicular 78 é, por exemplo, uma iluminação veicular e um sistema de navegação de carro e é um equipamento operado com energia elétrica com uma faixa de tensão mais baixa e uma corrente mais baixa (baixa energia elétrica) do que aquela do motor de acionamento 26.

[034] A máquina auxiliar de célula de combustível 80 inclui, por exemplo, uma unidade de suprimento de combustível (uma bomba e um injetor) que fornece o combustível para a pilha de célula de combustível 52. A máquina auxiliar de célula de combustível 80 inclui, por exemplo, uma válvula (não ilustrado) que abre e fecha a passagem através da qual o gás combustível e o gás oxidante são distribuídos, um combustor de difusão (não ilustrado) que gera um gás de combustão para aquecer o gás fornecido para a pilha de célula de combustível 52 durante o controle de ativação, e um circuito (não ilustrado) que aplica uma orientação inversa para uma proteção de polo de anodo para a pilha de célula de combustível 52 durante o controle de parada. A máquina auxiliar de célula de combustível 80 é um equipamento operado com uma baixa energia elétrica como é o caso com a descrição acima.

[035] No controle de ativação da pilha de célula de combustível 52, um gás de combustão, que é produzido por misturar e comburir o combustível para ativação e um ar, é gerado usando, por exemplo, o combustor de difusão. O referido é fornecido para a pilha de célula de combustível 52 em vez do gás oxidante e a pilha de célula de combustível 52 é aquecida para a temperatura necessária para uma geração elétrica.

[036] No controle de parada da pilha de célula de combustível 52, o gás oxidante é continuamente fornecido como um gás de arrefecimento para reduzir a temperatura para a temperatura na qual a oxidação de um anodo é evitável, e então a máquina auxiliar da célula de combustível 80 e o compressor 60 são parados. Nesse momento, um controle para fechar a válvula na passagem de um gás de combustão anódico após o uso para evitar o refluxo de oxigênio e um controle para aplicar uma força eletromotriz que se opõe à polaridade da pilha de célula de combustível 52 para a pilha de célula de combustível 52 são realizados de modo a evitar a oxidação do anodo. Outro controle de parada inclui um método no qual o coeficiente de fluxo do gás combustível é reduzido, mas a quantidade de geração de energia com a qual o compressor 60 e a máquina auxiliar de célula de combustível 80 são relativamente dirigíveis é mantida e a temperatura da pilha de célula de combustível 52 é reduzida. Assim sendo, o compressor 60 e a máquina auxiliar de célula de combustível 80 são usados não só no controle de ativação, mas também no controle de parada da pilha de célula de combustível 52; portanto, a energia elétrica para os mesmos é necessária.

[037] O conversor de CC-CC 82 (o segundo circuito de conversão de tensão) tem um lado de entrada acoplado à linha de acoplamento 50 e um lado de saída (o lado de reduzir) acoplado à linha de baixa tensão 72. O conversor de CC-CC 82 reduz a tensão da linha de acoplamento 50 para fornecer a energia elétrica para a linha de baixa tensão 72. O conversor de CC-CC 82 é acoplado ao lado da pilha de célula de combustível 52 com relação aos interruptores 66A e 66B e o circuito de carga 68 na linha de acoplamento 50. Isso garante que o conversor de CC-CC 82 forneça a energia elétrica a partir da pilha de célula de combustível 52 para a linha de baixa tensão 72 embora os interruptores 66A e 66B interrompam a linha de acoplamento 50. Deve ser observado que, embora a ilustração seja omitida, os lados da linha de acoplamento 50 do conversor de CC-CC 56, o conversor de CCCC 58, e o conversor de CC-CC 82 também incluem circuitos de descarga (não ilustrado).

[038] A unidade de controle 84 é constituída de circuitos eletrônicos de objetivo geral e de dispositivos periféricos incluindo um microcomputador, a microprocessador, e uma CPU e executa programas específicos para executar os processos de modo a controlar o sistema de célula de combustível 10. Nesse momento, a unidade de controle 84 pode realizar controles de LIGA/DESLIGA que acionam/param os componentes respectivos acima descritos.

[039] [Procedimento do controle de ativação do sistema de célula de combustível] Um procedimento de controle de ativação do sistema de célula de combustível 10 de acordo com a modalidade será descrito de acordo com um fluxograma na figura 2. Em um estado inicial, todos os interruptores 22A a 22D, 38A, 38B, 44A, 44B, e 66A a 66C estão DESLIGADOS, e a linha de suprimento de energia elétrica 12 e a linha de acoplamento 50 são reduzidas para igual a ou menos do que a predeterminada tensão (por exemplo, 60V). É também assumido que a bateria de acionamento do motor 14, a bateria de máquina auxiliar 74, e a bateria do compressor 62 alcançaram as respectivas predeterminadas quantidades de carga.

[040] Tão logo o sistema inicia o controle de ativação, a unidade de controle 84 liga a máquina auxiliar de célula de combustível 80 e o compressor 60 para iniciar o controle de ativação para a pilha de célula de combustível 52 na Etapa S101. Nesse momento, a máquina auxiliar de célula de combustível 80 é acionada pela energia elétrica a partir da bateria da máquina auxiliar 74, e o compressor 60 é acionada pela energia elétrica a partir da bateria do compressor 62. Isso faz com que o controle de ativação da pilha de célula de combustível 52 seja realizado para a pilha de célula de combustível 52 até que alcance a temperatura necessária para uma geração elétrica.

[041] Na Etapa S102, a unidade de controle 84 liga o interruptor 22A e o interruptor 22D para acoplar a bateria de acionamento do motor 14 para a linha de suprimento de energia elétrica 12 por meio dos circuitos de carga 18A e 18B, e aplica a predeterminada tensão (por exemplo, 360V) para a linha de suprimento de energia elétrica 12, o inversor de acionamento do motor 24, o conversor de CC-CC 30, e o inversor de condicionador de ar 48. Nesse momento, a unidade de controle 84 também liga o interruptor 22B ON para aplicar a tensão ao circuito de carga 18B acoplado em paralelo à linha de suprimento de energia elétrica 12. Após um predeterminado tempo na Etapa S102, a unidade de controle 84 liga o interruptor 22C e então desliga o interruptor 22A para desligar o circuito de carga 18A de modo a diretamente acoplar a bateria de acionamento do motor 14 na linha de suprimento de energia elétrica 12 na Etapa S103. Nesse momento, a unidade de controle 84 também desliga o interruptor 22B para desligar o circuito de carga 18B. Isso garante a rotação do motor de acionamento 26 em qualquer velocidade de rotação com base na operação do acelerador de um acionador.

[042] Na Etapa S104, a unidade de controle 84 liga o conversor de CC-CC 30 para aplicar a predeterminada tensão (por exemplo, 12V) para a linha de baixa tensão 72. Isso garante que a máquina auxiliar veicular 78 e a máquina auxiliar de célula de combustível 80 recebam o suprimento de energia elétrica a partir da bateria de máquina auxiliar 74 e o conversor de CC-CC 30 seja acionado. Nesse momento, a bateria de máquina auxiliar 74 é carregada com o conversor de CC-CC 30. Nesse momento, a unidade de controle 84 liga o inversor de condicionador de ar 48 para fazer com que o condicionador de ar para um veículo interior esteja em um estado usável.

[043] Na Etapa S105, a unidade de controle 84 liga o interruptor 66B e o interruptor 66C para aplicar a predeterminada tensão para a linha de acoplamento 50 (por exemplo, o conversor de CC-CC 56) por meio do circuito de carga 68. Então, após um predeterminado tempo na Etapa S105, a unidade de controle 84 liga o interruptor 66A e então desliga o interruptor 66C para desligar o circuito de carga 68 de modo a diretamente acoplar a linha de suprimento de energia elétrica 12 para a linha de acoplamento 50 (por exemplo, o conversor de CC-CC 56) na Etapa S106.

[044] Na Etapa S107, a unidade de controle 84 determina se a pilha de célula de combustível 52 alcançou ou não a temperatura de operação necessária para a geração de energia elétrica a partir da temperatura medida pelo sensor de temperatura 54. Após a pilha de célula de combustível 52 alcançar a temperatura de operação, a unidade de controle 84 termina o controle de ativação para a pilha de célula de combustível 52 e fornece o gás combustível (o gás reformado) e o gás oxidante para a pilha de célula de combustível 52 para gerar a energia elétrica por reação eletroquímica na Etapa S108.

[045] Na Etapa S109, a unidade de controle 84 liga o conversor de CC-CC 56, o conversor de CC-CC 58, e o conversor de CC-CC 82. Isso faz com que a pilha de célula de combustível 52 forneça a energia elétrica gerada para a linha de suprimento de energia elétrica 12 por meio do conversor de CC-CC 56 e para a linha de baixa tensão 72 por meio do conversor de CC-CC 56 e o conversor de CC-CC 82. A pilha de célula de combustível 52 fornece a energia elétrica gerada ao compressor 60 e a bateria do compressor 62 por meio do conversor de CC-CC 56 e o conversor de CC-CC 58. O controle de ativação do sistema de célula de combustível 10 é assim terminado.

[046] [Operação de Sistema de Célula de Combustível em Geração de energia elétrica Normal] O motor de acionamento 26 recebe o suprimento de energia elétrica a partir da bateria de acionamento do motor 14 e a pilha de célula de combustível 52 e gira em qualquer velocidade de rotação pela operação do acelerador do condutor. O motor de acionamento 26 gera a energia elétrica regenerativa na frenagem e essa é carregada para a bateria de acionamento do motor 14 por meio do inversor de acionamento do motor 24. A bateria de acionamento do motor 14 é carregada pelo suprimento de energia elétrica a partir da pilha de célula de combustível 52 tão logo a quantidade de carga é igual a ou menos do que uma determinada quantidade de carga. A bateria de máquina auxiliar 74 é carregada pelo suprimento de energia elétrica a partir do conversor de CC-CC 30 e o conversor de CC-CC 82 e fornece a energia elétrica para a máquina auxiliar veicular 78 e a máquina auxiliar de célula de combustível 80. Ademais, a máquina auxiliar veicular 78 e a máquina auxiliar de célula de combustível 80 podem ser acionadas pelo suprimento de energia elétrica a partir do conversor de CC-CC 30, o conversor de CC-CC 82, e a bateria de máquina auxiliar 74. O compressor 60 recebe o suprimento de energia elétrica a partir da bateria do compressor 62 e o conversor de CC-CC 58 a ser acionado, e a bateria do compressor 62 é carregada por receber o suprimento de energia elétrica a partir do conversor de CC-CC 58. Assim, na geração de energia elétrica normal, a unidade de controle 84 controla em modo de cooperação o conversor de CC-CC 30 e o conversor de CC-CC 82. Isso fornece a energia elétrica à unidade de suprimento de combustível acima mencionada (a bomba e o injetor) a partir da pilha de célula de combustível 52 em uma condição onde a energia elétrica é fornecida a partir da bateria de acionamento do motor 14 e a pilha de célula de combustível 52 está operando; portanto, o fornecimento do combustível para a pilha de célula de combustível 52 pode ser mantido ao mesmo tempo em que reduz uma carga do conversor de CC-CC 30.

[047] [Procedimento De Controle De Parada Do Sistema De Célula De Combustível] Um procedimento de controle de parada do sistema de célula de combustível 10 de acordo com a modalidade será descrito de acordo com um fluxograma ilustrado na figura 3. Na Etapa S201, a unidade de controle 84 desliga o interruptor 22C e o interruptor 22D para desligar a bateria de acionamento do motor 14 a partir da linha de suprimento de energia elétrica 12 e desliga o interruptor 66A e o interruptor 66B para desligar a linha de acoplamento 50 a partir da linha de suprimento de energia elétrica 12. Isso interrompe o suprimento de energia elétrica ao inversor de acionamento do motor 24 e o conversor de CC-CC 30. Simultaneamente a isso, o inversor de acionamento do motor 24, o conversor de CC-CC 30, e o inversor de condicionador de ar 48 são desligados. Nesse momento, embora o suprimento de energia elétrica a partir do conversor de CC-CC 30 seja parado na linha de baixa tensão 72, o suprimento de energia elétrica a partir da pilha de célula de combustível 52 é mantido por meio do conversor de CC-CC 82.

[048] Na Etapa S202, a unidade de controle 84 liga o circuito de descarga 28 para reduzir a tensão da linha de suprimento de energia elétrica 12 para igual a ou menos do que a predeterminada tensão (por exemplo, 60V), e então desliga o circuito de descarga 28. Nesse momento, uma vez que o interruptor 66A e o interruptor 66B já estão desligados, a carga elétrica mantida pelo conversor de CCCC 56, o conversor de CC-CC 58, e o conversor de CC-CC 82 não flui para dentro do circuito de descarga 28.

[049] Na Etapa S203, a unidade de controle 84 realiza o controle de parada para a pilha de célula de combustível 52. O controle de parada inclui um caso onde o fornecimento de gás combustível é parado para parar a geração de energia elétrica da pilha de célula de combustível 52 de modo a arrefecer a pilha de célula de combustível 52 como descrito acima e um caso onde a pilha de célula de combustível 52 é arrefecida ao mesmo tempo em que o fornecimento de gás combustível é minimizado para gerar a energia elétrica relativamente suficiente para a pilha de célula de combustível 52 para acionar o compressor 60 e a máquina auxiliar de célula de combustível 80, e ademais, relativamente suficiente para garantir a carga da bateria de máquina auxiliar 74. Quando a pilha de célula de combustível 52 continua a gerar a energia elétrica, a energia elétrica gerada pela pilha de célula de combustível 52 é continuamente fornecida ao compressor 60 por meio do conversor de CC-CC 58 e fornecida para a máquina auxiliar de célula de combustível 80 por meio do conversor de CC-CC 82 para ser adicionalmente fornecida para a bateria de máquina auxiliar 74 também.

[050] Na Etapa S204, a unidade de controle 84 determina se a temperatura da pilha de célula de combustível 52 foi reduzida ou não para a predeterminada temperatura na qual o anodo não é oxidado a partir da temperatura medida pelo sensor de temperatura 54. Na Etapa S205, a unidade de controle 84 determina se a quantidade de carga da bateria de máquina auxiliar 74 medida pelo aferidor de carga 76 e a quantidade de carga da bateria do compressor 62 medida pelo aferidor de carga 64 alcançou as respectivas predeterminadas quantidades ou não.

[051] Na Etapa S206, a unidade de controle 84 desliga a máquina auxiliar de célula de combustível 80 e o compressor 60 em uma condição na qual a pilha de célula de combustível 52 reduziu para a predeterminada temperatura e a bateria de máquina auxiliar 74 e a bateria do compressor 62 alcançou as predeterminadas quantidades de carga, e termina o controle de parada da pilha de célula de combustível 52.

[052] Na Etapa S207, a unidade de controle 84 desliga o conversor de CCCC 56, o conversor de CC-CC 58, e o conversor de CC-CC 82 e liga os seus circuitos de descarga (não ilustrado) para reduzir a linha de acoplamento 50 para igual a ou menos do que a predeterminada tensão (por exemplo, 60V), e então desliga os circuitos de descarga. O controle de parada do sistema de célula de combustível 10 é assim terminado. Deve ser observado que a Etapa S202 e a Etapa S203 pode ser em ordem inversa ou podem ser realizadas simultaneamente.

[053] [Procedimento De Controle De Carga De Baixa Velocidade Do Sistema De Célula De Combustível]

[054] Um procedimento de controle de carga de baixa velocidade do sistema de célula de combustível 10 de acordo com a modalidade será descrito de acordo com um fluxograma ilustrado na figura 4. Um estado inicial é similar ao estado inicial no controle de ativação acima mencionado. Na Etapa S301, tão logo o terminal de carregamento de baixa velocidade 32 é acoplado à fonte de energia CA externa, o interruptor de limite (não ilustrado) emite o sinal de detecção para a unidade de controle 84. Na Etapa S302, a unidade de controle 84 liga o carregador 34, o interruptor 22C, e o interruptor 22D tão logo o sinal de detecção é informado. Isso aumenta a linha de suprimento de energia elétrica 12 para a predeterminada tensão (por exemplo, 360V) e a bateria de acionamento do motor 14 é carregada pelo suprimento de energia elétrica da fonte de energia CA externa. Nesse momento, a unidade de controle 84 pode ligar o conversor de CC-CC 30 para carregar a bateria de máquina auxiliar 74.

[055] Na Etapa S303, quando o sinal de detecção é parado, ou seja, o terminal de carregamento de baixa velocidade 32 é destacada a partir de a fonte de energia CA externa, a unidade de controle 84 desliga o carregador 34, o interruptor 22C, e o interruptor 22D na Etapa S304. Na Etapa S305, a unidade de controle 84 liga o circuito de descarga 28 para reduzir a linha de suprimento de energia elétrica 12 para igual a ou menos do que a predeterminada tensão (por exemplo, 60V) e então, desliga o circuito de descarga 28.

[056] [Procedimento de controle de carga rápida de Sistema de célula de combustível]

[057] Um procedimento de controle de carga rápida do sistema de célula de combustível 10 de acordo com a modalidade será descrito de acordo com um fluxograma ilustrado na figura 5. Um estado inicial é similar ao estado inicial no controle de ativação acima mencionado. Na Etapa S401, tão logo o terminal de rápido carregamento 36 é acoplado ao suprimento de energia CC externo, o interruptor de limite (não ilustrado) emite o sinal de detecção para a unidade de controle 84. Na Etapa S402, a unidade de controle 84 liga o sensor de IR 46 para iniciar a medição de um valor de uma resistência de isolamento entre a linha de suprimento de energia elétrica 12 e o corpo (não ilustrado) tão logo o sinal de detecção seja informado.

[058] Na Etapa S403, a unidade de controle 84 determina se a resistência de isolamento acima mencionada é ou não igual a ou maior do que um predeterminado valor. Na Etapa S404, a unidade de controle 84 liga os interruptores 38A e 38B e os interruptores 22C e 22D quando a resistência de isolamento acima mencionada é igual a ou maior do que o predeterminado valor. Isso acopla o terminal de rápido carregamento 36 para a linha de suprimento de energia elétrica 12 para reforçar a linha de suprimento de energia elétrica 12 para a predeterminada tensão (por exemplo, 360V) e a bateria de acionamento do motor 14 (e, por exemplo, o inversor de acionamento do motor 24) é rapidamente carregado com o suprimento de energia CC externo. Nesse momento, a unidade de controle 84 pode ligar o conversor de CC-CC 30 para carregar a bateria de máquina auxiliar 74. A unidade de controle 84 desliga o sensor de IR 46 para terminar a medição do valor da resistência de isolamento acima mencionada.

[059] Na Etapa S405, quando o sinal de detecção é parado, ou seja, o terminal de rápido carregamento 36 é cortado a partir do suprimento de energia CC externo, a unidade de controle 84 desliga os interruptores 22C e 22D e os interruptores 38A e 38B para desligar a bateria de acionamento do motor 14 e o terminal de rápido carregamento 36 a partir da linha de suprimento de energia elétrica 12 na Etapa S406. Na Etapa S407, a unidade de controle 84 liga o circuito de descarga 28 para reduzir a linha de suprimento de energia elétrica 12 para igual a ou menos do que uma predeterminada tensão (por exemplo, 60V) e então, desliga o circuito de descarga 28.

[060] [Procedimento De Controle De Acoplamento Do Dispositivo Externo De Sistema De Célula De Combustível Em Geração De Energia Elétrica normal]

[061] Um procedimento de controle de acoplamento do dispositivo externo do sistema de célula de combustível 10 de acordo com a modalidade na geração de energia elétrica normal será descrito de acordo com um fluxograma ilustrado na figura 6. Na Etapa S501, tão logo o terminal de acoplamento externo 40 é acoplado a um dispositivo externo, o interruptor de limite (não ilustrado) emite um sinal de detecção para a unidade de controle 84. Na Etapa S502, a unidade de controle 84 liga o inversor de acoplamento externo 42 e os interruptores 44A e 44B para acoplar o terminal de acoplamento externo 40 para a linha de suprimento de energia elétrica 12. Isso garante o acionamento do dispositivo externo com a energia elétrica a partir da bateria de acionamento do motor 14 ou a pilha de célula de combustível 52.

[062] Na Etapa S503, quando o sinal de detecção é parado, ou seja, o terminal de acoplamento externo 40 é cortado a partir do dispositivo externo, a unidade de controle 84 desliga o inversor de acoplamento externo 42 e os interruptores 44A e 44B para desligar o terminal de acoplamento externo 40 a partir da linha de suprimento de energia elétrica 12 na Etapa S504. Deve ser observado que o procedimento acima descrito é possível no carregamento em baixa velocidade e no carregamento em alta velocidade. No carregamento em baixa velocidade, o dispositivo externo pode ser acionado com a energia elétrica a partir da bateria de acionamento do motor 14 ou a fonte de energia CA externa. No carregamento em alta velocidade, o dispositivo externo pode ser acionado com a energia elétrica a partir da bateria de acionamento do motor 14 ou o suprimento de energia CC externo.

[063] [Operação De Controle De Acoplamento Do Dispositivo Externo De Sistema De Célula De Combustível Em Parada Do Veículo]

[064] Um procedimento de controle de acoplamento do dispositivo externo do sistema de célula de combustível 10 de acordo com a modalidade em uma parada do veículo será descrito de acordo com um fluxograma ilustrado na figura 7. Na Etapa S601, tão logo o terminal de acoplamento externo 40 é acoplado a um dispositivo externo, o interruptor de limite (não ilustrado) emite um sinal de detecção para a unidade de controle 84. Na Etapa S602, a unidade de controle 84 liga o interruptor 22A e o interruptor 22D para acoplar a bateria de acionamento do motor 14 para a linha de suprimento de energia elétrica 12 por meio do circuito de carga 18A e aplica uma predeterminada tensão (por exemplo, 360V) para a linha de suprimento de energia elétrica 12 (e, por exemplo, o inversor de acionamento do motor 24). Nesse momento, a unidade de controle 84 também liga o interruptor 22B para eletricamente conduzir o circuito de carga 18B. Após um predeterminado tempo na Etapa S602, a unidade de controle 84 liga o interruptor 22C e então desliga o interruptor 22A para desligar o circuito de carga 18A de modo a diretamente acopla a bateria de acionamento do motor 14 para a linha de suprimento de energia elétrica 12 na Etapa S603. Nesse momento, a unidade de controle 84 também desliga o interruptor 22B para desligar o circuito de carga 18B.

[065] Na Etapa S604, a unidade de controle 84 liga o inversor de acoplamento externo 42 e os interruptores 44A e 44B para acoplar o terminal de acoplamento externo 40 para a linha de suprimento de energia elétrica 12. Isso garante o acionamento do dispositivo externo com a energia elétrica a partir da bateria de acionamento do motor 14. Na Etapa S605, quando o sinal de detecção é parado, ou seja, o terminal de acoplamento externo 40 é destacada a partir do dispositivo externo, a unidade de controle 84 desliga o inversor de acoplamento externo 42, os interruptores 44A e 44B, e os interruptores 22C e 22D para desligar a bateria de acionamento do motor 14 e o terminal de acoplamento externo 40 a partir da linha de suprimento de energia elétrica 12 na Etapa S606. Na Etapa S607, a unidade de controle 84 liga o circuito de descarga 28 para reduzir a linha de suprimento de energia elétrica 12 para igual a ou menos do que uma predeterminada tensão (por exemplo, 60V) e então desliga o circuito de descarga 28.

[066] [Efeito do Sistema de célula de combustível De acordo com Modalidade]

[067] Com o sistema de célula de combustível 10 de acordo com a modalidade, a máquina auxiliar de célula de combustível 80 é acoplada ao conversor de CC-CC 30 (o primeiro conversor de tensão) que fornece a energia elétrica para a máquina auxiliar veicular 78 e o conversor de CC-CC 82 (o segundo conversor de tensão) acoplado à pilha de célula de combustível 52 de modo a ser configurado para receber o suprimento de energia elétrica a partir de cada um dos referidos. Assim sendo, a carga do conversor de CC-CC 30 pode ser reduzida, desse modo garantindo uma configuração com uma reduzida capacidade de energia elétrica do conversor de CC-CC 30.

[068] O controle de parada da pilha de célula de combustível 52 inclui um caso onde a pilha de célula de combustível 52 é arrefecida ao mesmo tempo em que o fornecimento de gás combustível é minimizado de modo que a pilha de célula de combustível 52 gera energia elétrica relativamente suficiente para acionar o compressor 60 e a máquina auxiliar de célula de combustível 80. Mesmo em tal caso, a energia elétrica pode ser fornecida para a máquina auxiliar de célula de combustível 80 por meio dos conversores de CC-CC 56 e 82, e também, a energia elétrica pode ser fornecida ao compressor 60 por meio dos conversores de CC-CC 56 e 58, desse modo garantindo a operação autossustentada da pilha de célula de combustível 52.

[069] A máquina auxiliar de célula de combustível 80 pode receber o suprimento de energia elétrica também a partir da bateria de máquina auxiliar 74, que fornece a energia elétrica para a máquina auxiliar veicular 78. Entretanto, a bateria de máquina auxiliar 74 é também acoplada ao conversor de CC-CC 30 (o primeiro conversor de tensão) e o conversor de CC-CC 82 (o segundo conversor de tensão) de modo a ser configurado para receber o suprimento de energia elétrica a partir de cada um dos referidos. Assim sendo, o carregamento da bateria de máquina auxiliar 74 pode ser facilmente coberto.

[070] A unidade de controle 84 realiza o controle para parar o acionamento da máquina auxiliar de célula de combustível 80 quando a bateria de máquina auxiliar 74 carregada por meio do conversor de CC-CC 82 (o segundo conversor de tensão) no controle de parada da pilha de célula de combustível 52 alcançar a predeterminada quantidade de carga. Isso garante a quantidade de carga da bateria de máquina auxiliar 74 para operar a máquina auxiliar veicular 78 e a máquina auxiliar de célula de combustível 80 com certeza na próxima ativação.

[071] A unidade de controle 84 realiza o controle para desligar a linha de acoplamento 50 aos interruptores 66A (o interruptor de comutação) e 66B quando a bateria de acionamento do motor 14 é retirada a partir da linha de suprimento de energia elétrica 12. Isso evita que a carga elétrica portada pelo conversor de CC-CC 56, o conversor de CC-CC 58, e o conversor de CC-CC 82 (a carga elétrica portada pela linha de acoplamento 50) flua para dentro do inversor de acionamento do motor 24 (o motor de acionamento 26), desse modo garantindo evitar que corrente excessiva danifique o circuito de descarga 28 acoplado ao inversor de acionamento do motor 24.

[072] Mesmo após a retirada da bateria de acionamento do motor 14, o acoplamento a partir da pilha de célula de combustível 52 ao conversor de CC-CC 82 e o acoplamento a partir da pilha de célula de combustível 52 ao conversor de CC-CC 58 são mantidos. Assim sendo, mesmo após a retirada da bateria de acionamento do motor 14, a energia elétrica pode ser fornecida a partir da pilha de célula de combustível 52 para a máquina auxiliar de célula de combustível 80 e o compressor 60, e mesmo se a energia elétrica da bateria de máquina auxiliar 74 for esgotada, a operação autossustentada da pilha de célula de combustível 52 é possível. Ademais, quando a pilha de célula de combustível 52 não só fornece a energia elétrica para a máquina auxiliar de célula de combustível 80 e o compressor 60 mas também gera a energia elétrica relativamente suficiente para carregar a bateria de máquina auxiliar 74 durante o controle de parada, a energia elétrica para a máquina auxiliar de célula de combustível 80 pode ser coberta pela bateria de máquina auxiliar 74, desse modo garantindo a cobertura da energia elétrica necessária para o próximo processo de parada com certeza sem contar com a bateria do compressor 62.

[073] A unidade de controle 84 realiza o controle para eletricamente conduzir o circuito de carga 68 quando a bateria de acionamento do motor 14 é acoplado à linha de suprimento de energia elétrica 12, e após o predeterminado tempo, eletricamente conduzir o interruptor 66A (o interruptor de comutação). Isso evita a corrente de irrupção para a linha de acoplamento 50, desse modo garantindo se evitar danos aos componentes, tal como o conversor de CC-CC 56 acoplado à linha de acoplamento 50 e a bateria de acionamento do motor 14.

[074] As modalidades da presente invenção descrita acima são meramente uma ilustração de uma parte de exemplos de aplicação da presente invenção e não da natureza para limitar o âmbito técnico da presente invenção às construções específicas das modalidades acima.

[075] O presente pedido reivindica prioridade com base no Pedido de Patente No. 2015-243837, depositado junto ao Escritório de Patentes no Japão em 15 de dezembro de 2015, os conteúdos totais do qual se encontram aqui incorporados por referência.

Claims

1. Sistema de célula de combustível no qual uma célula de combustível é acoplada a uma bateria de acionamento do motor e uma máquina auxiliar veicular é acoplada à bateria de acionamento do motor por meio de um primeiro conversor de tensão, o sistema de célula de combustível compreendendo: uma máquina auxiliar de célula de combustível acoplada ao primeiro conversor de tensão; e um segundo conversor de tensão que acopla a máquina auxiliar de célula de combustível para a célula de combustível, um terceiro conversor de tensão disposto entre a bateria de acionamento de motor e a célula de combustível, em que o primeiro conversor de tensão e o segundo conversor de tensão são acoplados em paralelo à máquina auxiliar de célula de combustível, e CARACTERIZADO pelo fato de que o segundo conversor de tensão é conectado a uma linha de acoplamento acoplando a bateria de acionamento de motor ao terceiro conversor de tensão.

2. Sistema de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que adicionalmente compreende uma bateria de máquina auxiliar acoplada ao primeiro conversor de tensão, a bateria de máquina auxiliar tendo uma tensão mais baixa do que a tensão da bateria de acionamento do motor, em que a máquina auxiliar de célula de combustível e o segundo conversor de tensão são acoplados à bateria de máquina auxiliar.

3. Sistema de célula de combustível, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda: uma unidade de controle configurada para realizar um controle de parada do sistema de célula de combustível, em que uma geração elétrica da célula de combustível é continuada até que a bateria de máquina auxiliar alcance uma quantidade predeterminada de carga.

4. Sistema de célula de combustível, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, CARACTERIZADO pelo fato de que a máquina auxiliar de célula de combustível é uma unidade de suprimento de combustível configurada para fornecer um combustível para a célula de combustível.

5. Sistema de célula de combustível, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, CARACTERIZADO pelo fato de que a célula de combustível é acoplada a uma linha de suprimento de energia elétrica que acopla a bateria de acionamento do motor ao motor de acionamento, o sistema de célula de combustível adicionalmente inclui: um interruptor de comutação configurado para comutar o desligamento e um conduto elétrico da linha de acoplamento que acopla a célula de combustível à linha de suprimento de energia elétrica; e uma unidade de controle configurado para controlar o interruptor de comutação, o segundo conversor de tensão é acoplado ao lado da célula de combustível com relação ao interruptor de comutação na linha de acoplamento, e a unidade de controle é configurada de modo que um controle para desligar a linha de acoplamento é realizado no interruptor de comutação quando um controle para desligar a bateria de acionamento do motor a partir da linha de suprimento de energia elétrica é realizado.