BRPI0309149B1 - Fuel cell power source and method for operating a fuel cell - Google Patents
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Description
FONTE DE ENERGIA DE CÉLULA DE COMBUSTÍVEL E MÉTODO PARA OPERAR UMA FONTE DE ENERGIA DE CÉLULA DE COMBUSTÍVEL FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO CAMPO DA INVENÇÃOFUEL CELL POWER SOURCE AND METHOD FOR OPERATING A FUEL CELL POWER SOURCE BACKGROUND OF THE INVENTION FIELD OF THE INVENTION
[001] Esta invenção relaciona-se genericamente a fontes de energia de células de combustível e, mais particularmente, a um método e um sistema para operar uma fonte de energia de célula de combustível.This invention relates generally to fuel cell energy sources and, more particularly, to a method and system for operating a fuel cell energy source.
DESCRIÇÃO DA TÉCNICA RELACIONADADESCRIPTION OF RELATED TECHNIQUE
[002] Nos anos recentes, à medida que a portabilidade aumentou em popularidade, os projetistas de dispositivos eletrônicos continuam a reduzir a dimensão e o peso dos dispositivos. Essas reduções foram tornadas possíveis, em parte, pelo desenvolvimento de novas químicas para baterias como a de níquel-metal híbrido, de íon de lítio, de zinco-ar e de polímero de lítio, que permitem que quantidades maiores de energia sejam embaladas em uma embalagem menor. Baterias secundárias ou recarregáveis precisam ser recarregadas quando do esgotamento de sua capacidade elétrica. A recarga é tipicamente efetuada ao conectar a batería a um carregador de bateria que converte corrente alternada em corrente direta de baixo nível de 2 a 12 volts. O ciclo de carregamento dura um mínimo de uma a duas horas, e mais comumente dura de 4 a 14 horas. Uma restrição da tecnologia de bateria atual é a necessidade de regimes de carregamento sofisticados e as lentas velocidades de carregamento.In recent years, as portability has increased in popularity, electronic device designers continue to reduce the size and weight of devices. These reductions were made possible, in part, by the development of new battery chemicals such as hybrid nickel metal, lithium ion, zinc air and lithium polymer, which allow larger amounts of energy to be packaged in a smaller packing. Secondary or rechargeable batteries need to be recharged when their electrical capacity is depleted. Recharging is typically accomplished by connecting the battery to a battery charger that converts alternating current into low-level direct current from 2 to 12 volts. The charging cycle lasts a minimum of one to two hours, and most commonly lasts 4 to 14 hours. A constraint of current battery technology is the need for sophisticated charging regimes and slow charging speeds.
[003] Espera-se que as células de combustível sejam a próxima fonte principal de energia para produtos eletrônicos portáteis. As células de combustível convertem, de forma catalítica, moléculas de hidrogênio em íons e elétrons de hidrogênio, e depois extraem os elétrons através de uma membrana como energia elétrica, enquanto oxidam os íons de hidrogênio para H2O e extraem o subproduto água. Uma vantagem das células de combustível é a capacidade de fornecer quantidades significativamente maiores de energia em um pacote pequeno, quando comparada com a bateria convencional. Sua capacidade potencial de fornecer longos tempos de fala e de tempos de reserva em aplicações de dispositivos de comunicação portátil estão motivando a miniaturização continuada de tecnologias de células de combustível. Por exemplo, as células de combustível de Membrana Eletrolítica de Polímero (PEM) com base em células de combustível com respiração aérea e extremidade morta são idealmente adequadas para acionar dispositivos de comunicação portáteis e outros dispositivos eletrônicos portáteis.[003] Fuel cells are expected to be the next major source of power for portable electronics. Fuel cells catalytically convert hydrogen molecules into hydrogen ions and electrons, and then extract electrons through a membrane as electrical energy, while oxidizing hydrogen ions to H2O and extracting the water byproduct. An advantage of fuel cells is the ability to deliver significantly larger amounts of power in a small package compared to the conventional battery. Their potential ability to provide long talk times and standby times in portable communication device applications is driving the continued miniaturization of fuel cell technologies. For example, air-breathing, dead-end Fuel Cell-based Polymer Membrane (PEM) fuel cells are ideally suited for driving portable communication devices and other portable electronic devices.
[004] No caso de um dispositivo eletrônico acionado por bateria convencional, as características operacionais e o padrão de utilização do dispositivo eletrônico não causam impactos significativos na eficiência, na confiabilidade ou na vida útil da bateria. Por outro lado, quando um sistema de célula de combustível é utilizado como a fonte de energia de um dispositivo eletrônico, muitas das características fundamentais físicas, eletroquímicas e elétricas do sistema de célula de combustível são alteradas, quer permanente ou temporariamente pelo padrão de utilização do dispositivo eletrônico (carga). Esta alteração das características do sistema de célula de combustível tem um impacto direto sobre o desempenho e a vida útil da fonte de energia de célula de combustível. A dinâmica média e os padrões de carga de pico do dispositivo eletrônico também afetam o consumo de energia e a eficiência de conversão do sistema de célula de combustível. A atual geração de dispositivos digitais, e eletrônicos multi-funcionais possui ciclos de trabalho variáveis que consistem de picos acentuados de energia de curta duração seguido de períodos mais longos de baixa necessidade de energia. A otimização de uma fonte de energia de célula de combustível para esta classe de dispositivos eletrônicos é um processo complicado que envolve manter o acompanhamento dos padrões de utilização do usuário individual, dos requisitos de energia dinâmica do próprio dispositivo eletrônico, e das características operacionais do sistema de célula de combustível.[004] In the case of a conventional battery-powered electronic device, the operating characteristics and usage pattern of the electronic device do not significantly impact battery efficiency, reliability or service life. On the other hand, when a fuel cell system is used as the power source of an electronic device, many of the fundamental physical, electrochemical, and electrical characteristics of the fuel cell system are permanently or temporarily altered by the pattern of use of the fuel cell system. electronic device (charge). This change in fuel cell system characteristics has a direct impact on the performance and life of the fuel cell power source. The average dynamics and peak load patterns of the electronic device also affect the fuel cell system's power consumption and conversion efficiency. Today's generation of digital and multifunction electronic devices have varying duty cycles consisting of sharp short-term power surges followed by longer periods of low power requirements. Optimizing a fuel cell power source for this class of electronic devices is a complicated process that involves keeping track of individual user usage patterns, the dynamic power requirements of the electronic device itself, and the operating characteristics of the system. of fuel cell.
[005] A tecnologia atual defronta alguns aspectos deste problema enquanto ele se relaciona com os veículos automotivos que utilizam uma fonte de energia híbrida que consiste de uma batería e de um sistema de célula de combustível. Por exemplo, a Patente US 6.321.145 emitida em 20 de novembro de 2001 para Rajashekara, sob o título "Method and apparatus for a fuel cell propulsion system" ensina um método para utilizar seletivamente energia quer da batería ou do sistema de célula de combustível, dependendo do contexto operacional atual do veículo. Métodos e aparelhos similares também foram descritos na Patente dos US 5.808.448, emitida em 15 de setembro de 1998 para Naito, e intitulada "Method and apparatus for operating an electric vehicle having a hybrid battery".Current technology faces some aspects of this problem as it relates to automotive vehicles using a hybrid power source consisting of a battery and a fuel cell system. For example, US Patent 6,321,145 issued November 20, 2001 to Rajashekara under the title "Method and apparatus for a fuel cell propulsion system" teaches a method for selectively utilizing energy from either the battery or fuel cell system. depending on the current operating context of the vehicle. Similar methods and apparatus have also been described in US Patent 5,808,448, issued September 15, 1998 to Naito, entitled "Method and apparatus for operating an electric vehicle having a hybrid battery".
[006] Embora os métodos da tecnologia atual defrontam o problema do compartilhamento de carga entre uma célula de combustível e uma bateria enquanto elas se relacionam a fontes de energia híbrida, elas não defrontam a questão cerne de otimizar o desempenho operacional de uma fonte de energia de célula de combustível com base nos requisitos de energia dinâmica do dispositivo eletrônico. Além disso, esses esquemas também não prevêem os efeitos de desempenho do perfil de utilização da carga do dispositivo em uma fonte de energia com base na célula de combustível.Although current technology methods address the problem of charge sharing between a fuel cell and a battery as they relate to hybrid power sources, they do not address the core issue of optimizing the operating performance of a power source. based on the dynamic power requirements of the electronic device. In addition, these schemes also do not predict the performance effects of the device load utilization profile on a fuel cell-based power source.
[007] Assim, o que é necessário é um método e aparelho que leva em consideração e equilibra as características de energia do sistema de célula de combustível, os requisitos de carga dinâmica do dispositivo eletrônico e o perfil de utilização de um ou mais usuário do dispositivo para a utilização do sistema de célula de combustível como fonte de energia para uma ampla gama de dispositivos de carga. BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOSThus, what is needed is a method and apparatus that takes into account and balances the energy characteristics of the fuel cell system, the dynamic load requirements of the electronic device and the usage profile of one or more users of the fuel cell system. device for using the fuel cell system as a power source for a wide range of charging devices. BRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS
[008] A presente invenção será descrita por meio de versões exemplares, mas não limitações, ilustradas nos desenhos acompanhantes em que referências iguais denotam elementos similares, e em que: As Figuras 1 a 3 ilustram diagramas de blocos de várias versões de uma fonte de energia de célula de combustível de acordo com a presente invenção; e A Figura 4 ilustra um diagrama de fluxo de processo da operação de uma fonte de energia de célula de combustível de acordo com uma versão preferida da presente invenção. DESCRIÇÃO DETALHADA DA VERSÃO PREFERIDA[008] The present invention will be described by way of exemplary, but not limited, versions illustrated in the accompanying drawings in which like references denote similar elements, and in which: Figures 1 to 3 illustrate block diagrams of various versions of a power supply. fuel cell energy according to the present invention; and Figure 4 illustrates a process flow diagram of the operation of a fuel cell power source according to a preferred embodiment of the present invention. DETAILED DESCRIPTION OF PREFERRED VERSION
[009] Como é necessário, versões detalhadas da presente invenção são aqui reveladas; entretanto, deve-se compreender que as versões reveladas são meramente exemplares da invenção, que poderá ser incorporada de várias formas. Portanto, os detalhes estruturais e funcionais específicos aqui revelados não devem ser interpretados como limitativos, mas meramente como uma base para as reivindicações e como uma base representativa para ensinar alguém de habilidade na técnica para empregar de modo variado a presente invenção em virtualmente qualquer estrutura apropriadamente detalhada. Ainda, não se pretende que os termos e frases aqui utilizados sejam limitativos; mas, em vez disso, fornecem uma descrição compreensível da invenção.As required, detailed versions of the present invention are disclosed herein; however, it should be understood that the disclosed versions are merely exemplary of the invention, which may be incorporated in various forms. Therefore, the specific structural and functional details disclosed herein should not be construed as limiting, but merely as a basis for the claims and as a representative basis for teaching one of skill in the art to variously employ the present invention in virtually any structure appropriately. detailed. Also, the terms and phrases used herein are not intended to be limiting; but instead provide an understandable description of the invention.
[0010] São descritos aqui um aparelho e um método para operar eficientemente uma fonte de energia de célula de combustível para um dispositivo de carga. O método e o aparelho equilibram três elementos principais que afetam o comportamento operacional de uma fonte de energia de célula de combustível. Os requisitos de carga dinâmica do dispositivo de carga e um ou mais perfis de utilização do usuário do dispositivo que, juntos, são denominados fontes de informação funcional de energia, compõem os primeiros dois elementos, enquanto as características de energia do sistema de célula de combustível compõem o terceiro elemento. O método de operar eficientemente a fonte de energia de célula de combustível envolve capturar o perfil de utilização de um ou mais usuários do dispositivo do dispositivo de carga por um período de tempo, converter cada perfil de utilização em requisitos de energia efetivos do dispositivo de carga com base nos requisitos de carga dinâmica do dispositivo, e selecionar os parâmetros operacionais do sistema de célula de combustível com base nos requisitos de carga calculados do dispositivo de carga.Described herein is an apparatus and method for efficiently operating a fuel cell power source for a charging device. The method and apparatus balance three major elements that affect the operating behavior of a fuel cell power source. The dynamic load requirements of the load device and one or more device user utilization profiles, which together are referred to as functional energy information sources, make up the first two elements, while the fuel cell system energy characteristics make up the third element. The method of efficiently operating the fuel cell power source involves capturing the utilization profile of one or more charging device device users for a period of time, converting each utilization profile into actual charging device energy requirements. based on the dynamic load requirements of the device, and select fuel cell system operating parameters based on the calculated load requirements of the load device.
[0011] A relação corrente-voltagem (I-V) das fontes de energia da célula de combustível é significativamente diferente daquela das fontes de energia de célula química tradicional como íon de lítio, polímero de lítio, níquel-metal híbrido de e baterias de níquel cádmio. A conversão de energia e a eficiência de utilização de combustível de uma célula de combustível estão intimamente relacionadas com seu ponto de operação na curva I-V. Nas fontes de energia da célula de combustível, os aspectos de armazenamento de energia e de conversão de energia são desacoplados. A operação ótima da fonte de energia de célula de combustível depende não apenas na eficiência de conversão teórica da célula de combustível mas também dos padrões de carga da energia externa. Para os dispositivos acionados por célula de combustível, diferenças aparentemente pequenas nos perfis de utilização podem ter um impacto significativo na utilização do combustível e na eficiência de conversão do sistema como um tudo. Para exemplificar, vamos considerar dois usuários de telefones celulares, o Usuário A e o Usuário B. Ambos os usuários tipicamente utilizam seus telefones por oito horas a cada dia. Nessas oito horas, cada telefone de usuário transmite por duas horas e fica à disposição por seis horas. O Usuário A tende a ter conversas telefônicas compridas, seguidas de longos repousos. O Usuário B, por outro lado, faz várias chamadas por todo o dia, cada uma delas durando apenas alguns poucos minutos, com pouco repouso entre chamadas. O sistema de célula de combustível na fonte de energia de célula de combustível do Usuário A fará ciclos entre um estado de repouso frio a um estado de transmissão quente durante longas transmissões. 0 sistema de célula de combustível na fonte de energia de célula de combustível do Usuário B realizará ciclos a temperatura com maior freqüência, mas por uma faixa menor, nunca atingindo os níveis de alta temperatura experimentados pelo Usuário A. Os sistemas de célula de combustível operados neste modo, em que a energia é tirada mais freqüentemente com ciclos de temperatura menores, serão mais eficientes e fornecerão mais tempo operacional para o dispositivo de carga para uma quantidade dada de combustível. Assim, o Usuário B experimentará mais tempo de fala por unidade de combustível que o Usuário A. Assim, os parâmetros operacionais do sistema de célula de combustível necessário para o Usuário A são significativamente diferentes daqueles exigidos para o Usuário B para efetuar um desempenho ótimo da fonte de energia de célula de combustível.[0011] The current-voltage ratio (IV) of fuel cell power sources is significantly different from that of traditional chemical cell power sources such as lithium ion, lithium polymer, nickel-metal hybrid and nickel cadmium batteries. . Energy conversion and fuel efficiency of a fuel cell are closely related to its operating point on the I-V curve. In fuel cell power sources, the energy storage and power conversion aspects are decoupled. Optimal operation of the fuel cell power source depends not only on the theoretical conversion efficiency of the fuel cell but also on the external energy load patterns. For fuel cell driven devices, seemingly small differences in usage profiles can have a significant impact on fuel utilization and overall system conversion efficiency. For example, let's consider two mobile phone users, User A and User B. Both users typically use their phones for eight hours each day. During these eight hours, each user phone transmits for two hours and is available for six hours. User A tends to have long phone conversations, followed by long homes. User B, on the other hand, makes several calls throughout the day, each lasting just a few minutes, with little rest between calls. The fuel cell system in the User A fuel cell power source will cycle from a cold standby state to a warm transmission state during long transmissions. The fuel cell system at User B fuel cell power source will cycle the temperature more frequently, but over a smaller range, never reaching the high temperature levels experienced by User A. Fuel cell systems operated In this mode, where power is drawn more frequently with shorter temperature cycles, they will be more efficient and provide more operating time for the charging device for a given amount of fuel. Thus, User B will experience more talk time per unit of fuel than User A. Thus, the operating parameters of the fuel cell system required for User A are significantly different from those required for User B to perform optimally. Fuel cell power source.
[0012] Uma fonte de energia de célula de combustível 100 para fornecer energia a um dispositivo de carga 160 de acordo com uma versão preferida da presente invenção é mostrada na Figura 1. A fonte de energia de célula de combustível 100 inclui um recipiente de armazenamento de combustível 110, que serve como a fonte de combustível, uma controladora de recipiente de armazenamento de combustível 120 para controlar o recipiente de armazenamento de combustível 110, um sistema de célula de combustível 130, um dispositivo de armazenamento de informação 140, e um meio de controle 150 que controla a operação de outros componentes na fonte de energia de célula de combustível 100. Será apreciado por aqueles de habilidade ordinária na técnica que o sistema de célula de combustível 130 pode incluir uma ou mais células de combustível acopladas. O sistema de célula de combustível 130 pode opcionalmente incluir elementos periféricos de suporte como circuitos de condicionamento de saída elétrica, sistemas de resfriamento, ventiladores, bombas, válvulas e reguladores. O meio de controle 150 tipicamente inclui um meio de computação 170 como um microprocessador que pode efetuar operações aritméticas e lógicas e que também pode comunicar-se com outros elementos do circuito elétrico. Preferivelmente, o meio de computação 170 é similar à microcontroladora MC68328 fabricada pela Motorola, Inc., de Schaumburg, Illinois. Será apreciado que outros microprocessadores similares podem ser utilizados para o meio de computação 170 e que microprocessadores adicionais do mesmo ou de tipos alternativos podem ser acrescentados conforme necessário para lidar com os requisitos de processamento do meio de computação 170. O sistema de célula de combustível 130 é acoplado ao recipiente de armazenamento de combustível 110, ao meio de controle 150 e a um dispositivo de carga 160. O meio de controle 150 é ainda acoplado ao dispositivo de carga 160, ao dispositivo de armazenamento de informação 140, e à controladora de armazenamento de combustível 120. O dispositivo de armazenamento de informação 140 é ainda acoplado ao dispositivo de carga 160. Será apreciado por aqueles de habilidade ordinária na técnica que o dispositivo de armazenamento de informação 140 pode incluir uma memória de acesso aleatório (RAM), uma memória de apenas leitura (ROM), uma memória de apenas leitura eletricamente programável e apagável (EEPROM), ou um equivalente. Será ainda apreciado por aqueles de habilidade ordinária na técnica que, alternativamente, o dispositivo de armazenamento de informação 140 pode estar contido dentro do meio de controle 150 de acordo com a presente invenção.A fuel cell power source 100 for supplying power to a charging device 160 in accordance with a preferred embodiment of the present invention is shown in Figure 1. Fuel cell power source 100 includes a storage container 110, which serves as the fuel source, a fuel storage container controller 120 for controlling the fuel storage container 110, a fuel cell system 130, an information storage device 140, and a means 150 that controls the operation of other components in fuel cell power source 100. It will be appreciated by those of ordinary skill in the art that fuel cell system 130 may include one or more coupled fuel cells. The fuel cell system 130 may optionally include peripheral support elements such as electrical outlet conditioning circuits, cooling systems, fans, pumps, valves and regulators. Control means 150 typically includes computing means 170 such as a microprocessor which can perform arithmetic and logic operations and which can also communicate with other elements of the electrical circuit. Preferably, computing medium 170 is similar to the MC68328 microcontroller manufactured by Motorola, Inc. of Schaumburg, Illinois. It will be appreciated that other similar microprocessors may be used for computing medium 170 and that additional microprocessors of the same or alternate types may be added as necessary to address the processing requirements of computing medium 170. Fuel cell system 130 is coupled to the fuel storage container 110, the control means 150 and a loading device 160. The control means 150 is further coupled to the loading device 160, the information storage device 140, and the storage controller The information storage device 140 is further coupled to the charging device 160. It will be appreciated by those of ordinary skill in the art that the information storage device 140 may include a random access memory (RAM), a memory read-only memory (ROM), an electrically programmable read-only memory lovely and erasable (EEPROM), or an equivalent. It will be further appreciated by those of ordinary skill in the art that, alternatively, information storage device 140 may be contained within control means 150 in accordance with the present invention.
[0013] Como é ilustrado na Figura 1, a fonte de energia de célula de combustível 100 é acoplada ao dispositivo de carga 160, que opera utilizando a energia da fonte de energia de célula de combustível 100. Será apreciado por alguém de habilidade ordinária na técnica que o dispositivo de carga 160 de acordo com a presente invenção, pode ser um computador de mão, um computador laptop, um computador palmtop, um assistente digital pessoal, uma ferramenta de acionamento elétrico, um telefone celular móvel, um terminal de dados de rádio móvel, um telefone celular móvel tendo um terminal de dados anexo, ou um aparelho de radiochamada bilateral, como o "Page Writer 2000X" fabricado pela Motorola Inc. de Schaumburg, Illinois. Na descrição seguinte, o termo "dispositivo de carga" refere-se a qualquer um dos dispositivos mencionados acima ou qualquer dispositivo de carga equivalente. Embora muitas das versões na especificação descrevem um telefone celular como o dispositivo de carga, a invenção não é limitada a telefones celulares. Qualquer dispositivo que pode ser acionado por uma fonte de energia de célula de combustível pode ser utilizado sem desviar do escopo e da estrutura da invenção.As shown in Figure 1, fuel cell power source 100 is coupled to charging device 160, which operates using energy from fuel cell power source 100. It will be appreciated by one of ordinary skill in the art. The charging device 160 according to the present invention may be a handheld computer, a laptop computer, a palmtop computer, a personal digital assistant, an electric drive tool, a mobile cell phone, mobile radio, a mobile cell phone having an attached data terminal, or a two-way radio call such as the "Page Writer 2000X" manufactured by Motorola Inc. of Schaumburg, Illinois. In the following description, the term "charging device" refers to any of the above mentioned devices or any equivalent charging device. Although many of the versions in the specification describe a mobile phone as the charging device, the invention is not limited to mobile phones. Any device that can be powered by a fuel cell power source may be used without departing from the scope and structure of the invention.
[0014] À medida que a fonte de energia de célula de combustível 100 começa a operar, o meio de controle 150 busca no dispositivo de armazenamento de informação 140 para verificar a presença de dados a respeito dos padrões de carga dinâmica do dispositivo de carga conectado 160. A seqüência de dar partida também assegura que dados a respeito do padrão de utilização do dispositivo de carga de um ou mais usuários do dispositivo e as características de energia do sistema de célula de combustível 130 estão disponíveis no dispositivo de armazenamento de informação 140. Quando dados a respeito do padrão de carga do dispositivo de carga 160 está faltando, o meio de controle 150 consulta o dispositivo de carga acoplado 160 por aquela informação e a armazena no dispositivo de armazenamento de informação 140 para utilização futura. Em uma versão, o meio de controle 150 ainda consulta o dispositivo de carga 160 pela identificação do usuário do dispositivo atual do dispositivo de carga 160. Quando o padrão de utilização do dispositivo do usuário do dispositivo atual do dispositivo de carga acoplado 160 ou as características de energia do sistema de célula de combustível 130 estão faltando, valores predefinidos para os parâmetros associados a esses dados, armazenado no dispositivo de armazenamento de informação 140 são utilizados pelo meio de controle 150. Além disso, o meio de controle 150 começa a gravar o padrão de utilização do dispositivo de carga 160 pelo usuário do dispositivo atual e também as características de energia do sistema de célula de combustível 130. Uma vez informação suficiente tenha sido gravada, os valores são armazenados no dispositivo de armazenamento da informação 140 para utilização futura. Será apreciado por alguém de habilidade ordinária na técnica que uma pluralidade de padrões de utilização de usuário de dispositivo para uma pluralidade de usuários do dispositivo para um ou mais dispositivos de carga podem ser armazenadas no dispositivo de armazenamento de informação 140 de acordo com a presente invenção.As fuel cell power source 100 begins to operate, control means 150 searches information storage device 140 to verify the presence of data regarding the dynamic load patterns of the connected load device. 160. The starting sequence also ensures that data regarding the charging device utilization pattern of one or more device users and the fuel cell system power characteristics 130 are available in the information storage device 140. When data regarding the load pattern of load device 160 is missing, control means 150 queries coupled load device 160 for that information and stores it in information storage device 140 for future use. In one version, the control means 150 still queries the charging device 160 for the current device user ID of the charging device 160. When the current device user device utilization pattern of the coupled charging device 160 or the characteristics cell power 130 are missing, preset values for the parameters associated with this data stored in the information storage device 140 are used by the control means 150. In addition, the control means 150 begins to record the load device usage pattern 160 by the current device user and also the fuel cell system power characteristics 130. Once sufficient information has been recorded, the values are stored in the information storage device 140 for future use. It will be appreciated by one of ordinary skill in the art that a plurality of device user usage patterns for a plurality of device users for one or more load devices may be stored in information storage device 140 according to the present invention. .
[0015] O meio de controle 150 calcula os requisitos de carregamento de energia efetivos do dispositivo de carga 160 ao combinar e casar os requisitos de carga dinâmica do dispositivo de carga 160 com o padrão de utilização histórica do usuário de dispositivo especificado. Uma vez conhecidos os requisitos de energia efetivos, o meio de controle 150 fixa o ponto de operação inicial para o sistema de célula de combustível 130 ao casar os requisitos de energia efetivos com as características de energia do sistema de célula de combustível 130. O meio de controle 150 continua a ajustar o ponto de operação do sistema de célula de combustível 130 à medida que os padrões de carga e o estado da fonte de energia de célula de combustível 100 variam com o tempo.Control means 150 calculates the effective power charging requirements of charging device 160 by matching and matching the dynamic charging requirements of charging device 160 with the specified device user historical usage pattern. Once the actual power requirements are met, control means 150 sets the initial operating point for fuel cell system 130 by matching the actual power requirements with the fuel characteristics of fuel cell system 130. The means Control 150 continues to adjust the operating point of fuel cell system 130 as the load patterns and state of fuel cell power source 100 vary over time.
[0016] Como um exemplo, quando o dispositivo de carga 160 é um telefone celular, os requisitos de carga dinâmica podem incluir a corrente de transmissão de pico, a duração e a freqüência da corrente de transmissão, a corrente de suporte e a corrente no modo dormir. Muitos desses parâmetros para aplicações de telefone celular são determinados pelo protocolo utilizado pelo telefone celular (isto é, Code Division Multiple Access (CDMA), Time Division Multiple Access (TDMA), e Global System for Mobile Communications (GSM)), o modo de operação do telefone celular, a banda de freqüência operacional do telefone celular, as aplicações que estão processando no telefone celular e o pais em que o telefone celular opera. Será apreciado por aqueles de habilidade ordinária na técnica que os requisitos de carga dinâmica podem ser qualquer combinação dos requisitos aqui descritos ou um equivalente de acordo com a presente invenção.As an example, when the charging device 160 is a mobile phone, the dynamic charging requirements may include the peak transmission current, the duration and frequency of the transmission current, the support current and the current in the sleep mode. Many of these parameters for mobile phone applications are determined by the protocol used by the mobile phone (ie Code Division Multiple Access (CDMA), Time Division Multiple Access (TDMA), and Global System for Mobile Communications (GSM)). mobile phone operation, the operating frequency band of the mobile phone, the applications that are processing on the mobile phone, and the country in which the mobile phone operates. It will be appreciated by those of ordinary skill in the art that the dynamic loading requirements may be any combination of the requirements described herein or an equivalent according to the present invention.
[0017] O padrão de utilização do usuário do dispositivo para um telefone celular pode incluir o número de chamadas feitas em um período de tempo especificado, a freqüência das chamadas feitas, a duração de cada chamada e os tipos de serviços utilizados (voz verso dados). De modo similar, os parâmetros de padrão de utilização para os telefones celulares podem ainda incluir tempo no modo de suporte, volume do alto-falante, utilização de luz de fundo, modo de operação (por exemplo, TDMA vs. GSM) e utilização de alerta (vibrador vs. campainha). O padrão de utilização também leva em conta circunstâncias especiais singulares aos telefones celulares centrados em dados multi-funcional como a utilização de energia adicional de uma conexão sempre ligada, serviços de fluxo contínuo de áudio e de vídeo, e jogos de vídeo. A presente invenção armazena dados correspondentes aos parâmetros do padrão de utilização para cada usuário de dispositivo de cada dispositivo de carga no dispositivo de armazenamento de informação 140. Será apreciado por aqueles de habilidade ordinária na técnica que os parâmetros de padrão de utilização podem ser qualquer combinação de parâmetros aqui descritos ou um equivalente de acordo com a presente invenção.[0017] The device user usage pattern for a mobile phone may include the number of calls made in a specified time period, the frequency of calls made, the duration of each call, and the types of services used (voice over data ). Similarly, usage pattern parameters for mobile phones may further include standby time, speaker volume, backlight usage, mode of operation (eg TDMA vs. GSM) and alert (vibrator vs. doorbell). The usage pattern also takes into account unique circumstances unique to multi-functional data-centric mobile phones such as the additional power usage of an always-on connection, streaming audio and video services, and video games. The present invention stores data corresponding to the usage pattern parameters for each device user of each load device in the information storage device 140. It will be appreciated by those of ordinary skill in the art that the usage pattern parameters can be any combination of parameters described herein or an equivalent according to the present invention.
[0018] As características de energia do sistema de célula de combustível 130 podem incluir o tipo de combustível e de fornecimento de oxidante do sistema, que determina o tempo de resposta do sistema e a eficiência da célula de combustível, o tipo de construção da célula de combustível, o eletrólito, eletrodo, materiais de difusão de gás e de catalisador utilizados e como eles são montados e posicionados juntos, idade da célula de combustível, capacidade de carga, curva I-V, e a pressão operacional, temperatura e umidade do sistema de célula de combustível 130. Será apreciado por aqueles de habilidade ordinária na técnica que as características de energia do sistema de célula de combustível 130 podem ser qualquer combinação das características aqui descritas ou um equivalente de acordo com a presente invenção.The energy characteristics of the fuel cell system 130 may include the type of fuel and oxidant supply of the system, which determines the system response time and fuel cell efficiency, the type of cell construction. the electrolyte, electrode, gas diffusion and catalyst materials used and how they are assembled and positioned together, fuel cell age, load capacity, IV curve, and operating pressure, temperature and humidity of the system. It will be appreciated by those of ordinary skill in the art that the energy characteristics of the fuel cell system 130 may be any combination of the features described herein or an equivalent according to the present invention.
[0019] A fixação do ponto de operação do sistema de célula de combustível 130 inclui selecionar a relação entre corrente-voltagem de saída das células de combustível contidas dentro do sistema de célula de combustível 130, controlar a estequiometria e velocidade do fluxo reagente, gerenciar o nível de hidratação do eletrólito e a geração de água produto e o ciclo de purgação para remover contaminantes no caso de células de combustível de terminação morta. Quando o meio de controle 150 fixa o ponto de operação, ele muda a voltagem operacional e a saída de corrente das células de combustível contidas dentro do sistema de célula de combustível 130 de modo que as células de combustível operam na parte mais eficiente da curva I-V. O conceito de curvas I-V no que se relaciona às células de combustível e os vários parâmetros da célula de combustível que impactam o ponto de operação na curva I-V são bem conhecidos na técnica de célula de combustível. Por exemplo, as Patentes US 6.300.000, 5.290.641 e 5.023.150 descrevem a natureza e as características das curvas I-V da célula de combustível. O meio de controle 150 também pode variar a quantidade de combustível e de oxidante que atinge a célula de combustível para controlar a velocidade de reação e a geração de água de produto. Nos sistemas de célula de combustível com elementos ativos como ventiladores, sopradores, bombas, sistemas de resfriamento e componentes similares, o meio de controle 150 pode variar os parâmetros desses componentes para casar a saída de energia das células de combustível aos requisitos de carga dinâmica do dispositivo de carga 160 e o padrão de utilização do usuário do dispositivo.The fuel cell system 130 operating point setting includes selecting the output current-voltage relationship of the fuel cells contained within the fuel cell system 130, controlling the stoichiometry and reactant flow rate, managing electrolyte hydration level and product water generation and purge cycle to remove contaminants in the case of dead-end fuel cells. When control means 150 fixes the operating point, it changes the operating voltage and current output of the fuel cells contained within fuel cell system 130 so that the fuel cells operate at the most efficient part of curve IV. . The concept of fuel cell I-V curves and the various fuel cell parameters that impact the operating point on the I-V curve are well known in the fuel cell art. For example, US 6,300,000, 5,290,641, and 5,023,150 describe the nature and characteristics of fuel cell I-V curves. Control means 150 may also vary the amount of fuel and oxidant that reaches the fuel cell to control reaction rate and product water generation. In fuel cell systems with active elements such as fans, blowers, pumps, cooling systems, and similar components, control means 150 may vary the parameters of these components to match the fuel cell power output to the dynamic load requirements of the fuel cell. charging device 160 and the user usage pattern of the device.
[0020] Preferivelmente, e de acordo com a presente invenção, funções adicionais podem ser implementadas para aprimorar e validar as três dimensões utilizadas pelo meio de controle 150 para operar o sistema de célula de combustível 130. O meio de controle 150 efetua uma série de seqüências de teste nas células de combustível contidas dentro do sistema de célula de combustível 130 na partida para assegurar que as características de energia do sistema de célula de combustível armazenadas no dispositivo de armazenamento de informação 140 são válidas e atuais. As seqüências de teste podem incluir testes para a impedância interna das células de combustível, a corrente e a saída de voltagem das células de combustível sob condições de carregamento normais, e o nível de hidratação e a idade da membrana eletrolítica. Se necessário, o meio de controle 150 atualizará os parâmetros que definem as características de energia do sistema de célula de combustível 130 armazenadas no dispositivo de armazenamento de informação 140.Preferably, and in accordance with the present invention, additional functions may be implemented to enhance and validate the three dimensions used by control means 150 to operate fuel cell system 130. Control means 150 performs a series of Fuel cell test sequences contained within the fuel cell system 130 at startup to ensure that the fuel cell system energy characteristics stored in the information storage device 140 are valid and current. Test sequences may include tests for fuel cell internal impedance, fuel cell current and voltage output under normal charging conditions, and the hydration level and age of the electrolyte membrane. If necessary, the control means 150 will update the parameters defining the fuel cell system energy characteristics 130 stored in the information storage device 140.
[0021] Em uma segunda versão da presente invenção, além de operar a fonte de energia de célula de combustível 100 de uma maneira otimamente casada com os requisitos de saída, o meio de controle 150 também estima a quantidade de capacidade de energia restante na fonte de energia de célula de combustível 100. A medição da capacidade restante depende não apenas da medição precisa da quantidade de combustível que permanece no recipiente de armazenamento de combustível 110 mas também em prever com precisão os padrões de carga de energia externa e o ponto de operação da célula de combustível nessas condições de carga. A geração de corrente de dispositivos de comunicação portátil multi-funcional digital tem ciclos de trabalho variável que consistem de picos acentuados de energia de curta duração seguido de períodos mais longos de baixa necessidade de energia. Para esta classe de dispositivos de carga, o cálculo da capacidade de energia restante é um processo complicado que envolve o acompanhamento dos padrões de utilização de cada usuário de dispositivo individual, os requisitos de energia dinâmica do dispositivo de carga 160, as características de energia do sistema de célula de combustível 130 e a medição da quantidade de combustível restante no recipiente de armazenamento de combustível 110. Como o meio de controle 150 da fonte de energia de célula de combustível 100 já tem acesso a esta informação, a segunda versão da presente invenção nivela este recurso para implementar uma função precisa de medição de combustível para a fonte de energia de célula de combustível 100. A capacidade restante é continuamente mensurada enquanto o dispositivo de carga 160 está em operação de modo a fornecer ao usuário do dispositivo a situação atual da fonte de energia de célula de combustível 100. Além disso, a retroalimentação fornecida ao usuário do dispositivo é preferivelmente em termos da quantidade de tempo que o dispositivo de carga 160 irá provavelmente operar com a reserva de energia disponível em vários modos operacionais do dispositivo de carga 160.In a second embodiment of the present invention, in addition to operating fuel cell power source 100 in a manner optimally matched to the output requirements, control means 150 also estimates the amount of power capacity remaining at the source. 100 fuel cell power measurement. Measurement of remaining capacity depends not only on accurate measurement of the amount of fuel remaining in fuel storage vessel 110 but also on accurately predicting external power load patterns and operating point. the fuel cell under these loading conditions. Current generation of digital multifunction portable communication devices have variable duty cycles consisting of sharp short-term power surges followed by longer periods of low power requirements. For this class of charging devices, calculating the remaining power capacity is a complicated process that involves tracking the usage patterns of each individual device user, the dynamic power requirements of the charging device 160, the power characteristics of the device. fuel cell system 130 and measuring the amount of fuel remaining in the fuel storage container 110. As the control means 150 of the fuel cell power source 100 already has access to this information, the second version of the present invention levels this feature to implement an accurate fuel metering function for fuel cell power source 100. Remaining capacity is continuously measured while charging device 160 is in operation to provide the device user with the current status of the fuel cell. 100 fuel cell power source. In addition, the retroa The user-provided limitation of the device is preferably in terms of the amount of time the charging device 160 will likely operate with the power reserve available in various operating modes of the charging device 160.
[0022] A Figura 2 ilustra uma versão alternativa de uma fonte de energia de célula de combustível 200 para fornecer energia para o dispositivo de carga 160 de acordo com a presente invenção. A fonte de energia de célula de combustível 200 inclui o recipiente de armazenamento de combustível 110, que serve como a fonte de combustível, a controladora do recipiente de armazenamento de combustível 120 acoplada ao recipiente de armazenamento de combustível 110 para controlar o recipiente de armazenamento de combustível 110, o sistema de célula de combustível 130 acoplado ao recipiente de armazenamento de combustível 110, o dispositivo de armazenamento de informação 140 acoplado ao dispositivo de carga 160, e o meio de controle 150, acoplado ao sistema de célula de combustível 130 e o dispositivo de armazenamento de informação 140, que controla a operação de outros componentes na fonte de energia de célula de combustível 200. O meio de controle 150 preferivelmente e de acordo com a presente invenção ainda fornece informação de medição de combustível para o dispositivo de carga 160. Será apreciado por aqueles de habilidade ordinária na técnica que o sistema de célula de combustível 130 pode incluir uma ou mais células de combustível individuais conectadas umas às outras. A fonte de energia de célula de combustível 200 como é ilustrado na Figura 2, preferivelmente ainda inclui um meio de medição 210 acoplado ao meio de controle 150. O meio de medição 210 preferivelmente é compreendido de um meio de processamento 220 como um circuito de microprocessador que é capaz de calcular a capacidade de energia restante da fonte de energia de célula de combustível 200 utilizando os requisitos de energia efetivos do dispositivo de carga 160 e as características de energia do sistema de célula de combustível 130. Preferivelmente, o meio de processamento 220 é similar à microcontroladora MC68328 fabricada pela Motorola, Inc. de Schaumburg, Illinois. Será apreciado que outros microprocessadores similares podem ser utilizados para o meio de processamento 220, e que microprocessadores adicionais do mesmo ou de tipo alternativo podem ser acrescentados conforme necessário para lidar com os requisitos de processamento do meio de processamento 220. Além disso, um meio de comunicação 230 acoplado ao meio de processamento 220 também é incluído dentro do meio de medição 210. O meio de comunicação pode ser implementado utilizando elementos de circuito elétrico adicionais que transferem seletivamente a informação do circuito microprocessador no meio de processamento 220 para o dispositivo de carga 160 através do meio de controle 150.Figure 2 illustrates an alternative version of a fuel cell power source 200 for supplying power to charging device 160 in accordance with the present invention. Fuel cell power source 200 includes fuel storage container 110, which serves as the fuel source, the fuel storage container controller 120 coupled to the fuel storage container 110 for controlling the fuel storage container. 110, fuel cell system 130 coupled to fuel storage container 110, information storage device 140 coupled to loading device 160, and control means 150 coupled to fuel cell system 130 and information storage device 140, which controls the operation of other components in fuel cell power source 200. Control means 150 preferably and in accordance with the present invention further provides fuel metering information for charging device 160 It will be appreciated by those of ordinary skill in the art that Fuel cell system 130 may include one or more individual fuel cells connected to each other. Fuel cell power source 200 as illustrated in Figure 2 preferably further includes metering means 210 coupled to control means 150. Measuring means 210 is preferably comprised of processing means 220 as a microprocessor circuit which is capable of calculating the remaining power capacity of fuel cell power source 200 using the actual power requirements of charging device 160 and the power characteristics of fuel cell system 130. Preferably, processing means 220 It is similar to the MC68328 microcontroller manufactured by Motorola, Inc. of Schaumburg, Illinois. It will be appreciated that other similar microprocessors may be used for processing medium 220, and that additional microprocessors of the same or alternate type may be added as necessary to address the processing requirements of processing medium 220. In addition, a processing medium may be added. Communication 230 coupled to processing means 220 is also included within metering means 210. The communication means may be implemented using additional electrical circuit elements that selectively transfer information from the microprocessor circuit 220 to processing device 160. through control means 150.
[0023] A fonte de energia de célula de combustível 200 é acoplada ao dispositivo de carga 160 através do sistema de célula de combustível 130, do dispositivo de armazenamento de informação 140 e do meio de controle 150. O dispositivo de carga 160 opera pela utilização da energia fornecida pela fonte de energia de célula de combustível 200. À medida que a fonte de energia de célula de combustível 200 começa a operar, o meio de controle 150 busca o dispositivo de armazenamento de informação 140 para verificar a presença de dados a respeito dos padrões de carga dinâmica do dispositivo de carga conectado 160. A seqüência de partida também assegura que dados sobre um ou mais padrões de utilização do dispositivo de carga do usuário do dispositivo e as características de energia do sistema de célula de combustível 130 estão disponíveis no dispositivo de armazenamento de informação 140. Quando os dados a respeito do padrão de carga do dispositivo de carga 160 estão faltando, o meio de controle 150 consulta o dispositivo de carga afixado 160 por aquela informação e a armazena no dispositivo de armazenamento de informação 140 para utilização futura. Em uma versão, o meio de controle 150 ainda consulta o dispositivo de carga 160 pela identificação do atual usuário de dispositivo do dispositivo de carga 160. Quando o padrão de utilização do dispositivo do atual usuário do dispositivo do dispositivo de carga acoplado 160 ou as características operacionais do sistema de célula de combustível 130 está faltando, valores predefinidos para os parâmetros associados a este dado, armazenados no dispositivo de armazenamento de informação 140, são utilizados pelo meio de controle 150. Além disso, o meio de controle começa a gravar o padrão de utilização do dispositivo de carga pelo atual usuário do dispositivo e as características operacionais do sistema de célula de combustível 130. Uma vez gravada informação suficiente, os valores são armazenados no dispositivo de armazenamento de informação 140 para utilização futura. Será apreciado por alguém de habilidade ordinária na técnica que uma pluralidade de padrões de utilização do usuário do dispositivo para uma pluralidade de usuários de dispositivo para um ou mais dispositivos de carga podem ser armazenados no dispositivo de armazenamento de informação 140 de acordo com a presente invenção.Fuel cell power source 200 is coupled to charging device 160 via fuel cell system 130, information storage device 140 and control means 150. Charging device 160 operates by using supplied by fuel cell power source 200. As fuel cell power source 200 begins to operate, control means 150 searches for information storage device 140 to check for the presence of data about it. dynamic load patterns of the connected load device 160. The start sequence also ensures that data on one or more device user load device utilization patterns and the power characteristics of the fuel cell system 130 are available in information storage device 140. When the data regarding the load pattern of the load device 16 0 is missing, the control means 150 queries the attached loading device 160 for that information and stores it in the information storage device 140 for future use. In one version, the control means 150 still queries the charging device 160 by identifying the current charging device device user 160. When the current coupled device charging device device user's current device usage pattern 160 or fuel cell system 130 is missing, preset values for the parameters associated with this data stored in the information storage device 140 are used by the control means 150. In addition, the control means begins to record the pattern of charging device utilization by the current device user and the operating characteristics of the fuel cell system 130. Once sufficient information has been recorded, the values are stored in the information storage device 140 for future use. It will be appreciated by one of ordinary skill in the art that a plurality of device user usage patterns for a plurality of device users for one or more charging devices may be stored in information storage device 140 according to the present invention. .
[0024] O meio de controle 150 calcula os requisitos de carregamento de energia efetivos do dispositivo de carga 160 ao combinar e casar os requisitos de carga dinâmica do dispositivo de carga 160 com o padrão de utilização histórica do atual usuário do dispositivo. Uma vez conhecidos os requisitos de energia efetivos, então o meio de controle 150 fixa o ponto de operação inicial para o sistema de célula de combustível 130. O meio de controle 150 continua a ajustar o ponto de operação do sistema de célula de combustível 130 à medida que os padrões de carga e o estado do sistema de célula de combustível 130 variam com o tempo. Além disso, como parte da seqüência de partida, o meio de controle 150 também consulta a controladora do recipiente de armazenamento de combustível 120 para obter o valor do combustível restante no recipiente de armazenamento de combustível 110. Utilizando a informação sobre as características de energia do sistema de célula de combustível 130, os requisitos de carga dinâmica do dispositivo de carga 160, o padrão de utilização do usuário do dispositivo e a quantidade restante de combustível no recipiente de armazenamento de combustível 110, o meio de controle 150 calcula informação de medição de combustível como a capacidade de energia restante na fonte de energia de célula de combustível 200, a quantidade de tempo que o dispositivo de carga 160 podería ser operado em modos diferentes, a velocidade de consumo de combustível e a eficiência de conversão de energia. Será apreciado por aqueles de habilidade ordinária na técnica que a informação de medição de combustível pode incluir qualquer combinação de informações aqui descritas ou um equivalente, de acordo com a presente invenção.Control means 150 calculates the effective power charging requirements of charging device 160 by combining and matching the dynamic charging requirements of charging device 160 with the historical usage pattern of the current device user. Once the actual power requirements are known, then control means 150 sets the initial operating point for fuel cell system 130. Control means 150 continues to adjust the operating point of fuel cell system 130 to As load patterns and the state of fuel cell system 130 vary over time. In addition, as part of the starting sequence, the control means 150 also consults the fuel storage container controller 120 for the amount of fuel remaining in the fuel storage container 110. Using the power characteristics information of the fuel cell system 130, the dynamic load requirements of the load device 160, the device's user utilization pattern and the remaining amount of fuel in the fuel storage container 110, the control means 150 calculates fuel metering information. fuel capacity as the remaining power capacity in the fuel cell power source 200, the amount of time the charging device 160 could be operated in different modes, the fuel consumption speed and the power conversion efficiency. It will be appreciated by those of ordinary skill in the art that fuel metering information may include any combination of information described herein or an equivalent according to the present invention.
[0025] O método de medir a capacidade restante inclui medir a capacidade de energia restante do sistema de célula de combustível 130 com base na quantidade de combustível restante, referindo-se a uma tabela de pesquisa ou uma equação que representa o perfil de utilização do dispositivo para um determinado usuário do dispositivo do dispositivo de carga 160 armazenado no dispositivo de armazenamento de informação 140, e calcular o tempo operacional esperado do dispositivo de carga 160 ao estimar a eficiência de conversão do sistema de célula de combustível 130 correspondente ao perfil de utilização. As mudanças na eficiência e no ponto de operação I-V para uma dada carga de saída que são características de determinado sistema de célula de combustível 130 são utilizados para medir o tempo operacional restante do dispositivo de carga 160. Os parâmetros de capacidade restante calculados pelo meio de controle 150 podem ser exibidos para o usuário do dispositivo quer através de um elemento de interface de usuário do dispositivo 250 no dispositivo de carga 160 ou um elemento de interface de usuário 240 na fonte de energia de célula de combustível 200, ou um equivalente.The method of measuring the remaining capacity includes measuring the remaining power capacity of the fuel cell system 130 based on the amount of fuel remaining, referring to a lookup table or an equation representing the usage profile of the fuel cell. load device device 160 stored in information storage device 140, and calculate the expected operating time of load device 160 by estimating the conversion efficiency of fuel cell system 130 corresponding to the utilization profile . Changes in efficiency and IR operating point for a given output load that are characteristic of a given fuel cell system 130 are used to measure the remaining operating time of load device 160. The remaining capacity parameters calculated by means of Control 150 may be displayed to the device user either via a device user interface element 250 on the charging device 160 or a user interface element 240 on the fuel cell power source 200, or an equivalent.
[0026] Para os dispositivos energizados por célula de combustível, pequenas diferenças nos modelos de utilização podem ter um impacto significativo na utilização do combustível e na eficiência geral de conversão do sistema de célula de combustível. Por exemplo, considere dois usuários de telefones celulares, o Usuário A e o Usuário B. Ambos os usuários tipicamente utilizam seu telefone celular por oito horas diariamente. Nessas oito horas, o telefone celular de cada usuário transmite por duas horas e fica em espera por seis horas. 0 Usuário A tende a produzir conversas telefônicas compridas, seguidas de longos repousos. 0 Usuário B, por outro lado, faz várias chamadas por todo o dia, cada uma delas durando apenas poucos minutos, com pouco repouso entre as chamadas. 0 sistema de célula de combustível na fonte de energia de célula de combustível do Usuário A realizará ciclo entre um estado de espera frio a um estado de transmissão quente durante as longas transmissões. 0 sistema de célula de combustível na fonte de energia de célula de combustível do Usuário B realizará ciclo na temperatura mais freqüentemente, mas por uma faixa menor, nunca atingindo os altos níveis de temperatura experimentados pelo sistema de célula de combustível na fonte de energia de célula de combustível do Usuário A. Sistemas de célula de combustível operados neste modo, em que a energia é retirada mais freqüentemente com menores ciclos de temperatura serão mais eficiente e fornecerão mais tempo operacional para o dispositivo de carga para uma quantidade dada de combustível. Assim, o Usuário B experimentará mais tempo de fala por unidade de combustível do que o Usuário A. Desta forma, o medidor de combustível utilizado para estimar a capacidade de energia restante da fonte de energia de célula de combustível 200 para o dispositivo de carga 160 utiliza diferentes modelos de utilização para os Usuários A e B para uma precisão de previsão aprimorada.[0026] For fuel cell powered devices, minor differences in usage models can have a significant impact on fuel utilization and overall conversion efficiency of the fuel cell system. For example, consider two cell phone users, User A and User B. Both users typically use their cell phone for eight hours daily. During these eight hours, each user's cell phone transmits for two hours and is on hold for six hours. 0 User A tends to produce long telephone conversations followed by long homes. User B, on the other hand, makes several calls throughout the day, each lasting only a few minutes, with little rest between calls. The fuel cell system in the User A fuel cell power source will cycle from a cold standby state to a warm transmission state during long transmissions. The fuel cell system at the User B fuel cell power source will cycle at temperature more frequently, but over a smaller range, never reaching the high temperature levels experienced by the fuel cell system at the cell power source. A. Fuel cell systems operated in this mode, where power is withdrawn more frequently with shorter temperature cycles, will be more efficient and provide more operating time for the charging device for a given amount of fuel. Thus, User B will experience more talk time per unit of fuel than User A. Thus, the fuel gauge used to estimate the remaining power capacity of fuel cell power source 200 for charging device 160 uses different usage models for Users A and B for improved forecasting accuracy.
[0027] Preferivelmente e de acordo com a presente invenção, funções adicionais podem ser implementadas para aprimorar e validar as três dimensões utilizadas pelo meio de controle 150 para operar a fonte de energia de célula de combustível 200 e calcular a informação de medição de combustível. O meio de controle 150 efetua uma série de seqüência de testes nas células de combustível na partida para assegurar que as características de energia do sistema de célula de combustível armazenadas no dispositivo de armazenamento de informação 140 são válidos e atuais. As seqüências de teste podem incluir testes para a impedância interna das células, a corrente e a saída de voltagem das células sob condições de carregamento padrão, e o nível de hidratação e a idade da membrana eletrolítica. Será apreciado por aqueles de habilidade ordinária na técnica que os testes podem incluir qualquer combinação daqueles aqui descritos ou um equivalente de acordo com a presente invenção. Se necessário, o meio de controle 150 atualizará os parâmetros que definem as características de energia da célula de combustível armazenados no dispositivo de armazenamento de informação 140.Preferably and in accordance with the present invention, additional functions may be implemented to enhance and validate the three dimensions used by control means 150 to operate fuel cell power source 200 and calculate fuel metering information. Control means 150 performs a series of fuel cell test sequence at startup to ensure that the fuel cell system energy characteristics stored in the information storage device 140 are valid and current. Test sequences may include tests for cell internal impedance, cell current and voltage output under standard charging conditions, and the hydration level and age of the electrolyte membrane. It will be appreciated by those of ordinary skill in the art that the tests may include any combination of those described herein or an equivalent according to the present invention. If necessary, the control means 150 will update the parameters defining the fuel cell energy characteristics stored in the information storage device 140.
[0028] Em uma terceira versão da presente invenção, o meio de medição estima a quantidade de capacidade de energia restante na fonte de energia de célula de combustível. A Figura 3 ilustra esta terceira versão de uma fonte de energia de célula de combustível 300 para fornecer energia para o dispositivo de carga 160 de acordo com a presente invenção. A fonte de energia de célula de combustível 300 inclui o recipiente de armazenamento de combustível 110, que serve como a fonte de combustível, a controladora do recipiente de armazenamento de combustível 120 acoplada ao recipiente de armazenamento de combustível 110 para controlar o recipiente de armazenamento de combustível 110, o sistema de célula de combustível 130 acoplado ao recipiente de armazenamento de combustível 110, o dispositivo de armazenamento de informação 140 acoplado ao dispositivo de carga 160, e o meio de medição 210 que fornece informação de medição de combustível para o dispositivo de carga 160. O meio de medição 210, acoplado ao dispositivo de armazenamento de informação 140, ao sistema de célula de combustível 130, e à controladora do recipiente de armazenamento de combustível 120 preferivelmente inclui o meio de processamento 220 como o circuito de microprocessador que é capaz de calcular a capacidade de energia restante da fonte de energia de célula de combustível utilizando os requisitos de energia efetivos do dispositivo de carga 160 e as características de energia do sistema de célula de combustível 130.In a third embodiment of the present invention, the metering means estimates the amount of energy capacity remaining in the fuel cell power source. Figure 3 illustrates this third version of a fuel cell power source 300 for supplying power to charging device 160 in accordance with the present invention. Fuel cell power source 300 includes fuel storage container 110, which serves as the fuel source, the fuel storage container controller 120 coupled to the fuel storage container 110 for controlling the fuel storage container. 110, the fuel cell system 130 coupled to the fuel storage container 110, the information storage device 140 coupled to the loading device 160, and metering means 210 which provides fuel metering information to the fuel storage device. 160. Metering means 210 coupled to information storage device 140, fuel cell system 130, and fuel storage container controller 120 preferably includes processing means 220 as the microprocessor circuit which is able to calculate the remaining power capacity of the power supply. fuel cell energy using the effective energy requirements of the load device 160 and the energy characteristics of the fuel cell system 130.
[0029] A fonte de energia de célula de combustível 300 é acoplada ao dispositivo de carga 160, que opera utilizando a energia fornecida pela fonte de energia de célula de combustível 300. À medida que a fonte de energia de célula de combustível 300 começa a operar, o meio de medição 210 busca no dispositivo de armazenamento de informação 140 para verificar a presença de dados a respeito dos padrões de carga dinâmica do dispositivo de carga conectado 160. A seqüência de partida também assegura que os dados sobre um ou mais padrões de utilização do dispositivo de carga do usuário do dispositivo e as características de energia do sistema de célula de combustível 130 estão disponíveis no dispositivo de armazenamento de informação 140. Quando os dados a respeito do padrão de carga do dispositivo de carga 160 estiverem faltando, o meio de medição 210 consulta o dispositivo de carga afixado 160 para aquela informação e a armazena no dispositivo de armazenamento de informação 140 para utilização futura. Em uma versão, o meio de medição 210 ainda consulta o dispositivo de carga 160 pela identificação do atual usuário do dispositivo do dispositivo de carga 160. Se o padrão de utilização do usuário do dispositivo ou as características de energia do sistema de célula de combustível 130 estiverem faltando, valores predefinidos para os parâmetros associados a esses dados, armazenados no dispositivo de armazenamento de informação 140 são utilizados pelo meio de medição 210. Além disso, o meio de medição 210 começa a gravar o padrão da utilização do dispositivo de carga pelo atual usuário do dispositivo e as características de energia do sistema de célula de combustível 130. Uma vez gravada informação suficiente, os valores são armazenados no dispositivo de armazenamento de informação 140 para utilização futura. Será apreciado por alguém de habilidade ordinária na técnica que uma pluralidade de padrões de utilização do usuário do dispositivo para uma pluralidade de usuários do dispositivo para um ou mais dispositivos de carga podem ser armazenados no dispositivo de armazenamento de informação 140 de acordo com a presente invenção.Fuel cell power source 300 is coupled to charging device 160, which operates using the energy supplied by fuel cell power source 300. As fuel cell power source 300 begins to To operate, the measurement means 210 searches the information storage device 140 to check for the presence of data regarding the dynamic load patterns of the connected load device 160. The starting sequence also ensures that data about one or more data patterns is present. device user load device utilization and power characteristics of the fuel cell system 130 are available on the information storage device 140. When data about the load device 160 load pattern is missing, the medium 210 queries the posted loading device 160 for that information and stores it in the storage device. information sheet 140 for future use. In one version, metering 210 still queries charging device 160 for the current user identification of charging device 160. Whether the device's user utilization pattern or fuel cell system power characteristics 130 default values for the parameters associated with this data stored in the information storage device 140 are used by the measuring means 210. In addition, the measuring means 210 begins to record the pattern of the charging device usage by the current device user and power characteristics of the fuel cell system 130. Once sufficient information has been recorded, the values are stored in the information storage device 140 for future use. It will be appreciated by one of ordinary skill in the art that a plurality of device user usage patterns for a plurality of device users for one or more loading devices may be stored in information storage device 140 according to the present invention. .
[0030] O meio de medição 210 calcula os requisitos de carga de energia efetivos do dispositivo de carga 160 ao combinar e casar os requisitos de carga dinâmica do dispositivo de carga 160 com o padrão de utilização histórica de cada usuário do dispositivo. Além disso, como parte da seqüência de partida, o meio de medição 210 também consulta a controladora do recipiente de armazenamento de combustível 120 para obter o valor do combustível restante no recipiente de armazenamento de combustível 110. Utilizando a informação sobre as características de energia do sistema de célula de combustível 130, os requisitos de carga dinâmica do dispositivo de carga 160, o padrão de utilização do usuário do dispositivo, e a quantidade restante de combustível no recipiente de armazenamento de combustível 110, o meio de medição 210 calcula a informação de medição de combustível como a capacidade de energia restante na fonte de energia de célula de combustível 300, a quantidade de tempo que o dispositivo de carga 160 poderia ser operado em modos diferentes, a velocidade de consumo de combustível e a eficiência de conversão da energia. Será apreciado por aqueles de habilidade ordinária na técnica que a informação de medição de combustível pode incluir qualquer combinação de informação aqui descrita ou um equivalente de acordo com a presente invenção. Os parâmetros de capacidade restantes calculados pelo meio de medição 210 podem ser exibidos para o usuário do dispositivo quer através do elemento de interface do usuário do dispositivo 250 no dispositivo de carga 160 ou no elemento de interface de usuário 240 na fonte de energia de célula de combustível 300, ou um equivalente.Measurement means 210 calculates the effective energy load requirements of load device 160 by combining and matching the dynamic load requirements of load device 160 with each device user's historical usage pattern. In addition, as part of the starting sequence, metering 210 also consults the fuel storage container controller 120 for the amount of fuel remaining in the fuel storage container 110. Using the power characteristics information of the fuel cell system 130, the dynamic load requirements of the load device 160, the user utilization pattern of the device, and the remaining amount of fuel in the fuel storage container 110, metering 210 calculates the fuel information. fuel measurement such as the remaining power capacity in the fuel cell power source 300, the amount of time the charging device 160 could be operated in different modes, the fuel consumption speed and the energy conversion efficiency. It will be appreciated by those of ordinary skill in the art that fuel metering information may include any combination of information described herein or an equivalent according to the present invention. The remaining capacity parameters calculated by metering 210 may be displayed to the device user either via the device user interface element 250 on the charging device 160 or the user interface element 240 on the input cell power source. fuel 300, or an equivalent.
[0031] A Figura 4 ilustra um fluxograma do processo utilizado para gerenciar o desempenho de uma fonte de energia de célula de combustível de acordo com a presente invenção. Na Figura 4, caixas retangulares representam entidades estruturais no processo, e caixas com cantos arredondados representam etapas de processo para atingir as várias entidades estruturais. Com referência à Figura 4, o fluxo de processo inicia na etapa 400 em que um contador "n" é fixado em 1. A seguir, o processo vai para o ponto de decisão 405 que confirma a operação do dispositivo de carga 160 pelo nesimo usuário do dispositivo. Se o ponto de decisão retorna um "sim", o fluxo de processo continua com a etapa de inicialização 410, durante a qual o meio de controle 150 na fonte de energia de célula de combustível (100, 200) consulta o dispositivo de armazenamento de informação 140 para verificar a presença de dados a respeito dos padrões de carga dinâmica do dispositivo de carga conectado 160. A etapa de inicialização também assegura que os dados a respeito do padrão de utilização do dispositivo de carga do nesimo usuário e as características de energia do sistema de célula de combustível 130 estão disponíveis. Quando estão faltando os dados a respeito do padrão de carga do dispositivo de carga 160, o meio de controle 150 consulta o dispositivo de carga afixado 160 por aquela informação e a armazena no dispositivo de armazenamento de informação 140 para utilização futura. Quando o nésimo padrão de utilização do usuário ou as características de energia do sistema de célula de combustível 130 estiverem faltando, valores predefinidos para os parâmetros associados a estes dados, armazenados no dispositivo de armazenamento de informação 140 são utilizados pelo meio de controle 150. Os parâmetros associados aos requisitos de carga dinâmica do dispositivo de carga 160 são casados com o padrão de utilização do nesimo usuário do dispositivo para calcular 420 os requisitos de carregamento de energia efetivos do dispositivo de carga 160. Na etapa seguinte 430, o meio de controle casa os requisitos de energia efetivos com as características de energia do sistema de célula de combustível 130 armazenados no dispositivo de armazenamento de informação 140, para selecionar, na etapa 440, parâmetros para a operação da fonte de energia de célula de combustível 100. O meio de controle 150 utiliza os parâmetros selecionados na etapa 450 para operar 460 o sistema de célula de combustível 130 na condição alvo. A seguir, na etapa 470, o contador "n" é incrementado. O processo então retro-alimenta-se para o ponto de decisão 405 que continua a verificar por uma condição do usuário até o ponto de decisão 405 retorna um "não", em cujo caso o fluxo de processo termina no ponto terminal 480.Figure 4 illustrates a process flow diagram used to manage the performance of a fuel cell power source in accordance with the present invention. In Figure 4, rectangular boxes represent structural entities in the process, and boxes with rounded corners represent process steps to reach the various structural entities. Referring to Figure 4, the process flow begins at step 400 wherein a counter "n" is set to 1. Then the process goes to decision point 405 which confirms the operation of load device 160 by the nth user of the device. If the decision point returns a "yes", the process flow continues with initialization step 410, during which control means 150 at the fuel cell power source (100, 200) queries the fuel storage device. 140 to verify the presence of data regarding the dynamic load patterns of the connected load device 160. The initialization step also ensures that the data regarding the norm user's load device utilization pattern and the power characteristics of the 130 fuel cell system are available. When data regarding the load pattern of load device 160 is missing, the control means 150 queries the load device affixed 160 for that information and stores it in the information storage device 140 for future use. When the nth user utilization standard or fuel cell system power characteristics 130 are missing, preset values for the parameters associated with this data stored in the information storage device 140 are used by the control means 150. parameters associated with the dynamic load requirements of load device 160 are matched to the nth device user usage pattern to calculate 420 the effective power load requirements of load device 160. In the next step 430, the control means matches the actual power requirements with the fuel cell system energy characteristics 130 stored in the information storage device 140 to select, in step 440, parameters for the operation of the fuel cell power source 100. The means of control 150 uses the parameters selected in step 450 to 460 the fuel cell system 130 in the target condition. Then, in step 470, the counter "n" is incremented. The process then feeds back to decision point 405 which continues to check for a user condition until decision point 405 returns a "no", in which case the process flow ends at endpoint 480.
[0032] Será apreciado por aqueles de habilidade ordinária na técnica que a aplicação do método conforme ilustrado na Figura 4 para operar uma fonte de energia de célula de combustível não é limitada a qualquer tipo particular de dispositivo de carga. Algumas aplicações destes métodos a dispositivos eletrônicos foram aqui descritas. Exemplos de aplicações de dispositivos não eletrônicos incluem automóveis energizados por células de combustível ou células elétricas híbridas. Cada motorista do automóvel possui um estilo de dirigir diferente, e assim um impacto diferente na eficiência do combustível. Parâmetros úteis que constituem o perfil de utilização para esta aplicação incluem a aceleração a partir da parada, velocidade média, freqüência de parada, variabilidade na aceleração, utilização de controle de viagem, e muitos outros. A presente invenção é um melhoramento sobre os carros dos dias modernos, quer energizado por gás, híbrido, elétrico ou célula de combustível, pois ele permite um desempenho personalizado e uma eficiência de combustível para cada motorista.It will be appreciated by those of ordinary skill in the art that the application of the method as illustrated in Figure 4 for operating a fuel cell power source is not limited to any particular type of charging device. Some applications of these methods to electronic devices have been described herein. Examples of non-electronic device applications include fuel cell powered automobiles or hybrid electric cells. Each driver of the car has a different driving style and thus a different impact on fuel efficiency. Useful parameters that make up the usage profile for this application include stopping acceleration, average speed, stopping frequency, acceleration variability, travel control utilization, and many others. The present invention is an improvement over modern day cars, whether powered by gas, hybrid, electric or fuel cell, as it allows for personalized performance and fuel efficiency for every driver.
[0033] Embora a invenção tenha sido descrita em termos de versões preferidas, será óbvio para aqueles habilitados na técnica que várias alterações e modificações poderão ser feitas sem desviar da invenção. Assim, pretende-se que todas essas alterações e modificações sejam consideradas como dentro do espírito e escopo da invenção conforme definida pelas reivindicações apensas.Although the invention has been described in terms of preferred versions, it will be obvious to those skilled in the art that various changes and modifications may be made without departing from the invention. Thus, it is intended that all such changes and modifications be considered within the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.
REIVINDICAÇÕES
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