CN1509503A - 车用燃料电池发电装置升温控制 - Google Patents

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Abstract

一种燃料电池发电装置，包括多个能够独立地发电的燃料电池堆(10A－10C)，升温电路(33)可以独立地加热燃料电池堆(10A－10C)。控制器(14)估计在从车辆开始运行时的预定时间内发电装置的所需输出功率(S121，－S127)，确定满足所需输出功率的燃料电池堆的数量(S106)。控制器(14)在通过在车辆开始运行之前仅加热确定数量的燃料电池堆来提供所需输出功率的同时节约了用于燃料电池堆升温所需的能量。

Description

车用燃料电池发电装置升温控制
技术领域
本发明涉及对于具有两个或多个燃料电池堆的车辆的燃料电池发电装置的升温控制。
背景技术
2000年由日本专利局公开的特开2000-173638公开了一种升温设备，用于提高当车用燃料电池发电装置起动时的升温效率。在此原有技术中，目标发电装置具有两个燃料电池堆。根据此技术，当发电装置起动时，首先热水仅循环至一个燃料电池堆。在这个燃料电池堆的升温完成之后，热水循环至另一个燃料电池堆。
车辆所需的驱动力随着运行条件和负载条件改变。对于设有两个或多个燃料电池堆的车辆的燃料电池发电装置中，当车辆所需的的驱动力较小时，从能效考虑优选仅让某些燃料电池堆工作，当车辆所需的驱动力提高时，就让所有的燃料电池堆工作。
发明内容
虽然从有效地进行整个发电装置的升温的观点出发原有技术是理想的，但是所有的燃料堆依次升温，因此那时不需要工作的特定燃料电池堆也会升温，这会消耗过多的能量。此外，燃料电池堆产生的能量将用于加热其它燃料电池堆，用于运行的能量就不够了。
因此，本发明的目的是估计车用燃料电池发电装置所需的输出功率，实现燃料电池发电装置根据所需的输出功率进行工作。
为了实现上述目的，本发明为在车辆上安装的燃料电池发电装置中设置的多个燃料电池堆提供升温控制器。燃料电池堆可单独地工作并产生用于驱动车辆的功率。
控制器包括：升温电路，可独立地使燃料电池堆升温；传感器，检测车辆运行条件；以及可编程控制器，估计在车辆根据预定条件开始运行之后的预定时间内发电装置所需要的所需输出功率，根据所需输出功率确定将要升温的燃料电池堆的数量，并控制升温电路以仅对确定数量的燃料电池堆进行升温。
本发明还提供用于控制在车辆上安装的燃料电池发电装置中设置的多个燃料电池堆升温的方法，其中发电装置包括可独立地使燃料电池堆升温的升温电路，燃料电池堆可独立地工作并产生用于驱动车辆的功率。
该方法包括：检测车辆运行条件；估计在车辆根据运行条件开始运行之后的预定时间内发电装置所需要的所需输出功率；根据所需输出功率确定将要升温的燃料电池堆的数量；以及控制升温电路以仅对确定数量的燃料电池堆进行升温。
本发明的细节及其它特点和优点在说明书的剩余部分中列出并示于附图中。
附图说明
图1是描述提供了本发明的车用燃料电池发电装置的水循环状态的示意图。
图2类似于图1，但示出不同的水循环状态。
图3类似于图1，但示出了另一种不同的水循环状态。
图4类似于图1，但示出了再一种不同的水循环状态。
图5是描述通过本发明的控制器执行的发电装置升温程序的流程图。
图6是描述图表特征的示意图，此图表具体说明了由控制器控制、存储的所需输出功率和燃料电池堆数量；
图7是描述用于由控制器执行的计算所需输出功率的程序的流程图；
图8类似于图5，但示出了本发明的第二实施例。
图9类似于图5，但示出了本发明的第三实施例。
具体实施方式
参考附图1-4，提供了本发明的车用燃料电池发电装置设置有包括三个燃料电池堆10A-10C的发电单元10。燃料电池堆10A-10C并联连接到负载L。
车用燃料电池发电装置设置有循环路径33，此路径33使冷却水或热水循环通过燃料电池堆10A-10C，从而将燃料电池堆10A-10C的温度保持在发电所需的范围内，如图中所示。在循环路径33中设置泵13、加热循环水的加热器11和降低再循环水温度的散热器12。
还设置有三通阀21-28以便开关流动路径。
根据发电装置的状态，通过控制器14控制三通阀21-28的换位操作、泵13的操作和加热器11的供能。通过伏特计31检测从发电单元10提供到负载L的电压，通过安培计32检测电流量，测得的数据分别作为信号输入到控制器14。此处，负载L是驱动车辆的电动机。车速V也从检测车辆运行速度的车速传感器34作为信号输入到控制器14。
控制器14包括微型计算机，微型计算机配置有中央处理单元(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存储器(RAM)和输入/输出界面。控制器也可以包括多个微型计算机。显示/输出单元40连接到控制器14，此单元40将有关车辆运行状态信息提供给车辆的驾驶员，并且驾驶员可以向单元40输入命令。
为了当发电装置起动时将燃料电池堆10A(10B，10C)的温度提高至适合发电的范围内，通过提供图1-3所示的模式之一，在发电开始之前，控制器14通过循环路径33循环热水。
首先参见图1，当仅燃料电池堆10A升温时，控制器14操作三通阀21，22和24-27，这样水就沿着由图中的箭头所示的路径流动，控制器14给加热器11提供能量并操作泵13。在加热燃料电池堆10A的同时，由加热器11加热的热水沿着图中箭头所示的路径经由循环路径33流动。为了防止热水的温度降低，操作三通阀24，26，使得热水绕过(bypass)散热器12。
接着，参见图2，当燃料电池堆10A，10B升温时，控制器14操作三通阀21-28，这样水就沿着由图中的箭头所示的路径流动，控制器14给加热器11提供能量并操作泵13。由加热器11加热的热水沿着图中箭头所示的路径经由循环路径33流动，加热燃料电池堆10A，10B。同样在此情况下，为了防止热水的温度降低，操作三通阀24，26，使得热水绕过散热器12。
接着，参见图3，当所有三个燃料电池堆10A-10C升温时，控制器14操作三通阀21-28，这样水就沿着由图中的箭头所示的路径流动，控制器14给加热器11提供能量并操作泵13。由加热器11加热的热水沿着图中箭头所示的路径经由循环路径33流动，加热燃料电池堆10A-10C。同样在此情况下，为了防止热水的温度降低，操作三通阀24，26，使得热水绕过散热器12。
在仅燃料电池堆10A沿着图1所示的路径完成升温之后，或者在仅燃料电池堆10A，10B沿着图2所示的路径完成升温之后，伴随着这些燃料电池堆的发电将会产生热量。
控制器14利用此剩余热量使水按照图4的实线箭头所示的图形流过所有的燃料电池堆10A-10C，从而加热预先没有升温的燃料电池堆10C或燃料电池堆10B，10C。也就是说，控制器14停止对加热器11提供能量和使三通阀21，25工作，从而使从泵13放出的水在不经过加热器11的情况下流入燃料电池堆10A。
因此，再循环水吸收来自开始发电的燃料电池堆10A或燃料电池堆10A，10B的热量，提高温度，加热未升温的燃料电池堆10C或燃料电池堆10B，10C。
此外，在所有燃料堆10A-10C的升温完成之后，控制器14操作三通阀24-26，使从泵13释放出的水按照图中虚线箭头所示的方向从三通阀26经散热器12、三通阀24、三通阀25以及三通阀21流入燃料电池堆10A。在此水循环图中，在循环路径33中循环的水吸收在发电状态下来自燃料电池堆10A-10C的热量，此热量由散热器12释放。
即使没有完成所有燃料电池堆10A-10C的升温时，如果再循环水的温度显著升高，此再循环水同样会由散热器12冷却。在此情况下，由虚线箭头所示的水再循环图形代替由图中的实线箭头所示的水循环图形。
现在，当发电装置起动时，通过在发电装置开始发电之前执行图5中所示的发电装置升温程序，控制器14选择图1-3的水循环图形，在给定条件下加热驱动车辆所需的车辆燃料电池堆。
一旦发电装置起动时在开始发电之前就执行此程序。
参考图5，首先在步骤S101中，控制器14检测车辆驾驶员已经将发电装置起动准备开关转向ON。此启动准备开关设置在上述显示/输入单元40。
在下面的步骤S102中，确定发电装置所需的输出功率设定模式。输出功率设定模式确定发电装置所需的输出功率是否由驾驶员具体指明，或者根据过去的运行图形自动设置。通过让驾驶员操作发电装置起动准备开关，执行此选择。在步骤S102中，根据来自发电装置起动准备开关的信号，控制器14确定是否选择人工设定模式或自动设定模式。
当作为步骤S102确定的结果选择了自动设定模式，在步骤S103中控制器14读取预存在存储器中的所需输出功率Ln。所需输出功率Ln是从发电装置起动的预定时间内发电装置所需的最大输出功率的估计值。通过下述的图7中所示的执行程序更新所需的输出功率Ln。
在下述步骤S105中，估计的所需输出功率Ln显示在显示/输入单元40上，需要驾驶员的意见。驾驶员输入他/她是否同意在显示/输入单元40上显示的所需输出功率。
当作为步骤S102确定的结果选择了人工设定模式时，或者当驾驶员不同意在步骤S105中的所需输出功率Ln时，驾驶员请求在步骤S108中的所需输出功率的人工输入，控制器14读取输入到显示/输入单元40的所需输出功率。
当驾驶员同意在步骤S105中的所需输出功率Ln时，或者在步骤S108中读取了输入到显示/输入单元40的所需输出功率之后，控制器14执行步骤S106的操作。在步骤S106中，通过参照预先存储在控制器14的内存中的具有图6所示特征的图表，确定将起动的燃料电池堆的数量。根据此图表，随着所需输出功率的增加，增加所要起动的燃料电池堆的数量。
在后面的步骤S107中，根据为了满足所需输出功率而准备进行工作的燃料电池堆的数量，选择图1-3的上述图形之一，并执行(多个)燃料电池堆的升温。
接下来，参考图7描述用于产生在图5的步骤S103中采用的所需输出功率Ln的图表的程序。此程序仅在车辆已经开始独立地运行图5的发电装置升温程序之后立即地执行一次。由此程序更新的所需输出功率Ln存储在控制器14的内存中，在发电装置下一次进行工作时在图5的步骤S103中采用。所需输出功率Ln的初始值设定为用于同一规格的车辆的燃料电池发电装置的所需输出功率的平均值。
在步骤S121中，控制器14将计时器数值T重新设置成零。
在下述步骤S122中，确定车速V是否大于零，即，是否车辆运行。当车速V不大于零时，在不进行之后步骤的情况下重复进行步骤S121，S122，直至车速V大于零。
当车速V大于零时，在步骤123中，从由伏特计31输入的发电单元10的输出电压和从安培计32输入的发电单元10的输出电流的乘积计算发电装置的输出功率。在启动程序后的输出功率的最大值作为最大输出功率Lmax储存在控制器14的内存中。将由此执行路线计算出的输出功率和在存储器中存储的最大输出功率Lmax相比较，当在此情况下计算出的输出功率大于最大输出功率Lmax时，用在此情况下计算出的载荷值更新最大输出功率Lmax。
在之后的步骤S124中，将计时器数值T与预定值相比较。如上所述，预定时间是10分钟。此处，计时器数值T的单位是秒，预定时间是600秒。
当计时器数值T没有达到预定时间时，控制器14在步骤S125中等待一秒，在步骤S126中增加计时器数值T，重复执行步骤S123，S124。
当在步骤S124中计时器数值T超过600秒的预定时间，在步骤127中控制器14根据下述等式(1)执行所需输出功率的加权平均处理。
Ln＝rLn-1+(1-r)Lmax                                (1)
此处，r＝加权系数。
也就是说，执行在此程序的立即处理情况下计算出的所需输出功率Ln-1，通过加权系数r对在执行此程序时计算出的最大载荷Lmax进行平均，所得结果设定为新的所需输出功率Ln。加权系数r是大于零且小于1的常数。
在步骤S127进行之后，控制器14终止程序。
根据发电装置起动时控制器14执行的图5的发电装置升温程序，以在车辆起动后的10分钟内所需输出功率的过去记录为基础采用图1-3的升温图形之一执行燃料电池堆的升温，当发电装置起动时仅根据所需的输出功率首先加热一定数量的燃料电池堆。当升温完成时，发电装置开始利用完成了升温的燃料电池堆发电，车辆开始利用发电装置的输出功率运行。至于在起动时没有升温的那些燃料电池堆，在车辆开始运行之后，根据由图4中实箭头所表示的、采用燃料电池堆在工作中的剩余热量的水循环图进行升温。因此，最终，所有的燃料电池堆10A-10C均处于能够发电的状态下。因此，当发电装置起动时，通过仅对需要满足在车辆开始运行之后的预定时间即10分钟内的所需输出功率的燃料电池堆进行加热，可以将由升温消耗的能量抑制得最小。
接着，参考图8，描述本发明的第二实施例。
在此实施例中，车辆设置有图1-4所示的汽车导航系统41，该导航系统收集从本出发地到车辆目的地的道路位置信息。控制器14根据来自汽车导航系统41的信息确定发电装置的所需输出功率。
为此，控制器14执行图8中所示的发电装置升温程序，以取代第一实施例的图5和图7的程序。
步骤S141的过程与图5的程序的步骤S101的过程相同，步骤S142的过程与图5的程序的步骤S102的过程相同，以及步骤S146-S149的过程分别与图5的程序的步骤S105-S108的过程相同。
当在步骤S142中设定成自动设定模式时，在步骤S143中控制器14要求驾驶员向导航系统41输入目的地。控制器14不进行下一个步骤S144直至证实驾驶员输入了目的地。
在下一个步骤S144中，控制器14从汽车导航系统41读取从车辆的本出发地到目的地的道路情况。此处，汽车导航系统41可以是以输入的目的地和本出发地为基础从存储介质例如存储器或磁盘读取道路信息的系统，或者可以是从信息中心的服务器经过具有外设例如移动电话的通信装置接收道路信息的系统。控制器14读取的道路状况包括有关道路的下述信息：在车辆开始运行之后的预定时间内驾驶员想要采取的例如道路类型即高速路或普通道路，道路是否平整、上坡或下坡，以及这些道路是否堵塞。此处，预定时间为十分钟。
在步骤S145中，控制器14根据道路的状况估计在车辆开始运行之后的预定时间内车辆运行所需的发电装置的所需输出功率Ln。具体而言，根据从道路是否堵塞考虑选择运行的道路类型设定运行速度。一旦设定了运行速度，那么就由运行速度和选择路面的坡度计算出所需的发电装置输出功率Ln。
如果以经验或通过模拟事先制成根据道路坡度和运行速度的所需输出功率的图表，那么在步骤S145中就可以通过查对图表计算出所需输出功率Ln。除了图表之外，还可以采用由道路坡度和运行速度计算所需输出功率Ln的近似值。计算出的所需输出功率Ln显示在显示/输入单元40上。
在下一个步骤S146中，正如图5的步骤S105，关于显示的所需输出功率Ln请求驾驶员的意见。当驾驶员不同意，或者当驾驶员在步骤S142中选择了人工输入，象步骤是108那样在步骤S149中要求驾驶员借助显示/输入单元40人工输入所需的输出功率Ln，控制器14读取输入的所需输出功率Ln。除了输入所需的输出功率Ln之外，驾驶员还可以将道路状况输入到显示/输入单元40，控制器14可以通过与步骤S145相同的方法根据道路状况确定所需的输出功率Ln。
在步骤S146中，驾驶员可以不同意所需的输出功率Ln，例如当他/她选择了与汽车导航系统41所设定的道路不同的道路时，或者当他/她所知道的将选择的道路状况不同于用于计算所需输出功率Ln的道路坡度和运行速度，例如有关路面工作的信息。
当在步骤S146或步骤S149中确定了所需输出功率Ln时，在步骤S147，S148中，控制器14执行与图5的步骤S106，S107的步骤相同的过程，根据所需的输出功率Ln选择图1-3的上述图形之一，执行将为满足所需输出功率Ln而工作的燃料电池堆10A(10B，10C)的升温。
接着，参考图9，描述本发明的第三实施例。
在此实施例中，象第二实施例那样，控制器14结合汽车导航系统41估计所需的输出功率Ln。为此目的，执行图9所示的程序，取代图8的程序。
图9的程序的步骤S161，S162的过程与图8的程序的步骤S141，S142的过程相同。并且，步骤S165-168的过程与图8的程序的步骤S146-S149的过程相同。
当在步骤S162中选择自动设定模式时，在步骤S163中控制器14由汽车导航系统在从车辆的本出发地的预定时间内收集车辆可能遇到的所有路况信息。所收集的这种信息与第二实施例的相同。
在下一步骤S164中，控制器14对收集了信息的所有道路的所需输出功率进行估计。估计所需输出功率的方法与第二实施例的方法相同。所需输出功率的最大值Ln显示在显示/输入单元40上。
在下一步骤S165中，正如图8的步骤S126，控制器14征求驾驶员关于显示的所需输出功率Ln的意见。此处，驾驶员可以不同意所需的输出功率Ln，例如当驾驶员知道他/她事先想要选择的道路的状况，以及认为必须的所需输出功率不同于显示值。
当驾驶员不同意在步骤S165中显示的所需输出功率Ln时，或者当在步骤S162中没有选择时，在步骤S168中，象图8的步骤S149那样，需要向显示/输入单元40人工输入所需的输出功率Ln，控制器14读取输入的所需输出功率Ln。
在步骤是165或步骤S168中确定了所需输出功率Ln之后，在步骤S166，S167中，控制器14执行与图5的S106，107相同的过程，根据所需的输出功率Ln选择图1-3的图形之一，执行将为满足所需输出功率Ln而工作的燃料电池堆10A(10B，10C)的升温。
在此实施例中，虽然控制器14收集有关可在预定时间内选择的所有道路的信息，但是关于在从本车辆出发地的预定距离内的所有道路情况的信息可以更简单地收集。预定距离例如可以设定为五公里。
在所有上述实施例中，根据道路状况确定要加热的燃料电池堆的数量，这样可以获得从车辆开始运行时的预定时间内用于运行车辆所需的输出功率Ln，在不引起输出功率不足的情况下，将用于升温所需的能量降至最小。
当发电装置起动准备开关转向ON时，开始执行图5，8，9的各程序。在通过执行程序完成燃料电池堆10A(10B，10C)的升温之后，过程可通过下述方法之一继续进行。
在一种方法中，在显示/输入单元40上显示燃料电池堆的升温完成，通过将主开关转向ON开始由发电装置产生功率。主开关可设置在显示/输入单元40，或显示/输入单元40的单独设置。
另一方法是，当根据所需输出功率Ln的燃料电池堆10A(10B，10C)的升温完成时，发电装置开始自动地发电。
在所有的上述实施例中，预定时间设定为10分钟。这基于在车辆开始运行之后通过首先工作的(多个)燃料电池堆的多余热量来完成其它燃料电池堆的升温所花费的时间，即，这基于从车辆开始运行时算起、按照由图4中实线箭头所示的循环图形、直到完成所有燃料电池对10A-10C的升温所需的时间。因此，优选通过经验或模拟来确定预定时间。
在此，将2001年12月19日在日本的申请特开2001-385713的内容引作参考。
虽然以上已经对照本发明的特定实施例描述了本发明，但是本发明并不限于上述实施例。对于本领域的普通技术人员而言，鉴于上述技术，可以对上述实施例进行变化和修改。
例如，在上述实施例中，本发明采用包括三个燃料电池堆10A-10C的发电装置，但是本发明也可应用于设置有两个或更多可以独立升温的燃料电池堆的所有发电装置。
应用的工业领域
如上所述，本发明估计在从车辆开始运行时算起的预定时间内发电装置所需的输出功率，在运行开始之前，仅根据所需输出功率对特定数量的燃料电池堆进行加热。因此，在其中能量不能从外部提供的车用燃料电池发电装置中，可以减少由升温所消耗的能量。
在权利要求书中限定了其中要求独占权或特权的本发明的实施例。

Claims (10)

1.一种用于在安装在车辆上的燃料电池发电装置中设置的多个燃料电池堆(10A-10C)的升温控制器，燃料电池堆(10A-10C)可独立地工作并产生用于驱动车辆的功率，控制器包括：
升温电路(11，13，21-28)，可独立地使燃料电池堆(10A-10C)升温；
传感器(31，32，40，41)，检测车辆运行条件；以及
可编程控制器(14)，设计成：
估计车辆在根据运行条件开始运行之后的预定时间内发电装置所需要的所需输出功率(S103，S108，S121-S127，S145，S149，S164，S168)；
根据所需输出功率确定将要升温的燃料电池堆(10A-10C)的数量(S106，S147，S166)；以及
控制升温电路(11，13，21-28)以仅对确定数量的燃料电池堆(10A-10C)进行升温(S107，S148，S167)。
2.根据权利要求1所限定的升温控制器，其中控制器(14)进一步设计成控制升温电路(11，13，21-28)以在车辆开始运行之前仅对确定数量的燃料电池堆(10A-10C)进行升温。
3.根据权利要求1或2所限定的升温控制器，其中传感器(31，32，40，41)还包括检测发电装置所需输出功率的传感器(31，32)，控制器(14)进一步设计成对在车辆开始运行后的预定时间发电装置所需的输出功率进行监测(S122-S126)，根据在预定时间内监测的所需输出功率的最大值估计将被提供的所需输出功率以确定用于在下一次升温的燃料电池堆(10A-10C)的数量(S127)。
4.根据权利要求1或2所限定的升温控制器，其中传感器(31，32，40，41)包括导航系统(41)，该导航系统检测从车辆的目前位置到车辆的目的地的道路状况，控制器(14)还设计成根据从当前位置到目的地的道路状况估计所需的输出功率(S145)。
5.根据权利要求4所限定的升温控制器，其中道路状况包括路面的坡度和车辆可以在道路上行驶的速度。
6.根据权利要求1或2所限定的升温控制器，其中传感器(31，32，40，41)包括导航系统(41)，该导航系统检测从车辆的目前位置到车辆的目的地的所有道路状况，控制器(14)还设计成根据从当前位置到目的地的所有道路状况估计所需的输出功率(S167)。
7.根据权利要求6所限定的升温控制器，其中道路状况包括路面的坡度和车辆可以在道路上行驶的速度。
8.根据权利要求1或2所限定的升温控制器，其中传感器(31，32，40，41)包括运行条件输入器件(40)，控制器(14)还设计成根据由车辆的驾驶员输入到输入装置(40)的运行条件，对在从车辆开始运行时的预定时间内发电装置所需的输出功率进行估计(S108，S149，S168)。
9.一种用于在安装在车辆上的燃料电池发电装置中设置的多个燃料电池堆(10A-10C)的升温控制器，燃料电池堆(10A-10C)可独立地工作并产生用于驱动车辆的功率，控制器包括：
升温电路(11，13，21-28)，可独立地使燃料电池堆(10A-10C)升温；
用于检测车辆运行条件的装置(31，32，40，41)；
用于估计车辆根据运行条件开始运行之后的预定时间内发电装置所需要的所需输出功率的装置(14，S103，S108，S121-S127，S145，S149，S164，S168)；
用于根据所需输出功率确定将要升温的燃料电池堆(10A-10C)的数量的装置(14，S106，S147，S166)；以及
用于仅对确定数量的燃料电池堆(10A-10C)进行升温的装置(14，S107，S148，S167)。
10.一种用于控制在车辆上安装的燃料电池发电装置中设置的多个燃料电池堆(10A-10C)升温的方法，发电装置包括可独立地使燃料电池堆(10A-10C)升温的升温电路(11，13，21，28)，燃料电池堆(10A-10C)可独立地工作并产生用于驱动车辆的功率，该方法包括：
检测车辆运行条件(31，32，40，41)；
根据运行条件估计车辆在开始运行之后的预定时间内发电装置所需要的所需输出功率(14，S103，S108，S121-S127，S145，S149，S164，S168)；
根据所需输出功率确定将要升温的燃料电池堆(10A-10C)的数量(S106，S147，S166)；以及
控制升温电路(11，13，21-28)以仅对确定数量的燃料电池堆(10A-10C)进行升温(S107，S148，S167)。
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