JP2008539683A - 燃料電池システムにおける適応エネルギー管理のためのシステムおよび方法ここで使用する各セクションの見出しは、構成上使用するものであり、したがって、いかなる点においても、クレームを限定すると解釈すべきではない。 - Google Patents

燃料電池システムにおける適応エネルギー管理のためのシステムおよび方法ここで使用する各セクションの見出しは、構成上使用するものであり、したがって、いかなる点においても、クレームを限定すると解釈すべきではない。 Download PDF

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Abstract

電気化学電池システムが、燃料電池発電モジュールおよび電気エネルギー貯蔵モジュールを有している。システムは、さらに、燃料電池発電モジュールの動作を調整するため、燃料電池発電モジュールおよび電気エネルギー貯蔵モジュールに接続されている適応エネルギー管理コントローラを有している。適応エネルギー管理コントローラは、負荷によって取り出される電力または電流、または負荷によって要求される電流を指示するプロセス・パラメータを測定するための測定装置を有している。コントローラは、さらに、第一の予め設定された時間期間に亘って取り出される電力を指示する時間平均値を計算し、かつ、記憶するための計算および記憶装置を有している。記憶された平均値は、第一の時間期間に続く第二の時間期間の間、燃料電池発電モジュールの動作を調整するため、適応エネルギー管理コントローラによって、実際の電流取出し要求設定点信号として使用される。時間平均は、移動時間平均、平均値、または終点-終点平均である。システムは、さらに、燃料電池スタックおよびバランス・オブ・プラント・ユニットを調整するための制御ユニットを有している。適応エネルギー管理コントローラは、制御ユニットを組み込むことができる。

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、詳細には、燃料電池システムにおける適応エネルギー管理のためのシステムおよび方法に関する。
燃料電池セルは、特定の電気化学プロセスによって、貯蔵された反応体の化学エネルギーから電気エネルギーを生成する一種の電気化学装置である。特定のタイプの燃料電池セルの一例は、負荷に対して電気エネルギーを供給するよう動作可能なプロトン交換膜（PEM）燃料電池セルである。一般に、PEM燃料電池セルは、陽極、陰極、および陽極と陰極との間に配置された薄い重合体の膜を備えている。水素および酸化剤が、電気、熱、および水を生ずる一組の相補的な電気化学反応の反応体として供給される。
燃料電池セルは、実際には、一般に、単一のユニットとしては使用されない。それどころか、多数の燃料電池セルが、直列に接続されて、燃料電池スタックを形成し、これは今度は、燃料電池発電モジュール（ＦＣＰＭ）に内蔵される。燃料電池スタックで使用される酸化剤は、酸素を運ぶ周囲の空気によって供給される。高圧の燃料電池システムでは、周囲の空気は、空気圧縮機を通過させて、速度および圧力を増大させ、その状態で、酸素が、燃料電池スタック内の陰極に渡される。しかしながら、空気圧縮機は、それが動作可能であるためには、一般に、比較的大きなエネルギー入力を必要とし、これは今度は、燃料電池発電モジュールの全体的な効率を低減することになる。他方、酸化剤入力ストリームに対する入力圧の条件を緩和した低圧の燃料電池システムが開発された。しかしながら、低圧燃料電池システムに共通の問題は、そのようなシステムは、一般に、急激な、そして（あるいは）急速な負荷変動に対する出力過渡応答が遅いことである。
燃料電池システムに、より急速な動的応答性をもたらす試みでは、燃料電池発電モジュールを、よりよい過渡挙動を示す別の電力源と結合することが考えられる。一時的な電力源として、電池および（または）ウルトラキャパシタの組合せを用いるシステムが、以前に披露された。詳細には、燃料電池システムの過渡応答性を改善するばかりでなく、自動車の運転範囲を拡げるため、電池パックを備えた燃料電池システムが、実験的な燃料電池自動車で使用されてきた。
動作の際、この電池パックは、燃料電池システムと一体化された充電システムを用いて、燃料電池スタックからの出力エネルギーを結合することにより、充電される。一般に、充電システムは、電池パックの充電状態（ＳＯＣ）およびシステムのデューティ・サイクル（DC）履歴（すなわち、どのようなＤＣ電流が取り出されたか、（システムのドライブ・サイクルともいう））についての詳細なリアルタイム情報を必要とする。この情報を得るためには、燃料電池システムに、高価で複雑な計装を加えるが、これは、燃料電池システムの重量およびコスト両方の増加となる。
本発明の一実施形態の一アスペクトによれば、 燃料電池発電モジュールと電気エネルギー貯蔵モジュールとの間に接続可能な、燃料電池発電モジュールの動作を調整するための、（適応エネルギー管理コントローラの一部とすることができる）エネルギー貯蔵モジュール・インタフェースにおいて、エネルギー貯蔵モジュールは、使用の際、負荷に接続可能であり、かつ、エネルギー貯蔵モジュールは、
負荷によって取り出される電力を指示するプロセス・パラメータを測定するための測定装置と、
第一の予め設定された時間期間に亘って取り出される電力を指示する時間平均値を計算し、かつ、記憶するための計算および記憶装置と、
を含み、
記憶された時間平均値は、適応エネルギー管理コントローラによって、第一の時間期間に続く第二の時間期間の間、燃料電池発電モジュールの動作を調整するための実際の電流取出し要求設定点信号として使用される、
ことを特徴とするエネルギー貯蔵モジュール・インタフェースが提供される。
本発明の別のアスペクトによれば、電気エネルギー貯蔵モジュールに電気的に接続可能な燃料電池発電モジュールを含む燃料電池システムを動作させる方法であって、該方法は、
ａ） 燃料電池システムを負荷に接続する工程と、
ｂ） 負荷によって取り出される電力を指示するプロセス・パラメータを測定する工程と、
ｃ） 第一の予め設定された時間期間に亘って取り出される電力の時間平均値を計算し、かつ、記憶する工程と、
ｄ） 記憶された平均値を、適応エネルギー管理コントローラに対する実際の電流取出し要求設定点信号として使用して、燃料電池発電モジュールの動作を、続く第二の時間期間の間、調整する工程と、
ｅ） 工程ｂ）乃至工程ｄ）を第二の時間期間の終わりから繰り返す工程と、
を含むことを特徴とする方法が提供される。
本発明のさらなるアスペクトによれば、燃料電池発電モジュールおよび電気エネルギー貯蔵モジュールを有する電気化学電池システムであって、燃料電池発電モジュールは、燃料電池スタック、燃料電池スタックを少なくとも一つのプロセス流体と流体連通状態で制御可能に接続するバランス・オブ・プラント・ユニット、電気エネルギー貯蔵モジュールに接続可能な燃料電池発電モジュールの出力、および負荷に接続可能な電気エネルギー貯蔵モジュールの出力を含むシステムにおいて、該システムは、さらに、
燃料電池発電モジュールと電気エネルギー貯蔵モジュールとの間に接続可能な、燃料電池発電モジュールの動作を調整するための適応エネルギー管理コントローラであって、該適応エネルギー管理コントローラは、
負荷によって取り出される電力を指示するプロセス・パラメータを測定するための測定装置と、
第一の予め設定された時間期間に亘って取り出される電力を指示する時間平均値を計算し、かつ、記憶するための計算および記憶装置と、
を含む適応エネルギー管理コントローラ、
を含み、
記憶された時間平均値は、燃料電池発電モジュールの動作を調整するための適応エネルギー管理コントローラによって、第一の時間期間に続く第二の時間期間の間、実際の電流取出し要求設定点信号として使用される、
ことを特徴とするシステムが提供される。
本発明の他のアスペクトおよび特徴は、本発明の具体的な実施形態についての以下の説明を検討すれば、この技術における普通の技術を有する者なら、明らかとなるであろう。
本発明をよりよく理解するために、 また、それをどのようにして実行することができるかをより明瞭に示すために、ここで例として、本発明の実施形態のアスペクトを図解し、かつ、以下に説明する添付の各図面を参照する。
燃料電池スタックは、一般に、直列に接続された多数の単一の燃料電池セルで構成されている。燃料電池スタックは、燃料電池モジュール（燃料電池発電モジュール（ＦＣＰＭ）とも呼ぶ）に内蔵されており、これは、適当な支持要素の組合せ（まとめて「バランス・オブ・プラント・システム」と呼ぶ）を含み、これらは、具体的には、燃料電池スタックの動作パラメータおよび機能が、定常状態の運転で、維持されるよう構成されている。バランス・オブ・プラント・システムの好適な機能は、各種の圧力、温度および流量の維持および調整を含んでいる。したがって、燃料電池モジュールは、燃料電池モジュールの機能および動作を支援するのに使用される、関連する構造要素、機械的なシステム、ハードウェア、ファームウェア、およびソフトウェアの適当な組合せも備えていることが、当業者には、理解されよう。このような品目には、配管、センサー、調整器、集電装置、シール、絶縁物、および電気機械コントローラが、限定無しに含まれている。以後、本発明独特のアスペクトに関わる品目のみについて説明する。
燃料電池セルの技術には、多数の異なるものがあり、一般に、本発明は、あらゆるタイプの燃料電池セルに適用可能であることが予想される。本発明の非常に具体的な実施形態例は、プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池セルで使用されるよう開発されたものである。他のタイプの燃料電池セルには、アルカリ燃料電池（ＡＦＣ）、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）、溶融炭酸塩型燃料電池（CＭＣＦＣ）、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）、および回生型燃料電池（ＲＦＣ）が、限定無しに含まれている。
図１を参照すると、プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池モジュール（以後、単に燃料電池モジュール１００と呼ぶ）の簡単化された概略図が示されており、ここでは、これを説明して、電気化学電池モジュールの動作に関わるいくつかの一般的な問題を明らかにする。本発明は、一つまたはそれ以上の燃料電池セルを含む各種の構成の燃料電池モジュールに適用できることを理解すべきである。
燃料電池モジュール１００は、陽極電極２１および陰極電極４１を備えている。陽極電極２１は、ガス入力ポート２２およびガス出力ポート２４を備えている。同様に、陰極電極４１は、ガス入力ポート４２およびガス出力ポート４４を備えている。陽極電極２１と陰極電極４１との間には、電解質膜３０が配置されている。
燃料電池モジュール１００はまた、陽極電極２１と電解質膜３０との間に第一の触媒層２３、そして陰極電極４１と電解質膜３０との間に第二の触媒層４３を備えている。いくつかの実施形態では、第一および第二の触媒層２３、４３は、それぞれ、直接、陽極および陰極電極２１、４１上に蒸着されている。
陽極電極２１と陰極電極４１との間には、負荷１１５が接続可能である。
動作の際には、水素燃料が、いくつかの予め決められた条件下で、ガス入力ポート２２を通して、陽極電極２１に導入される。予め決められた条件としては、例えば、流量、温度、圧力、相対湿度、および水素と他のガスとの混合比などのファクターが有るが、これらに限定されない。水素は、電解質膜３０および第一の触媒層２３の存在下で、以下に示す反応式（１）により、電気化学的に反応する。
H2 → ２H+ + ２e- （１）
反応式（１）の化学的な生成物は、水素イオン（すなわち、陰イオン）と電子である。水素イオンは、電解質膜３０を通過して陰極電極４１に至り、一方、電子は、負荷１１５により取り出される。過剰な水素（他のガスおよび（または）流体との組合せ体内である場合がある）は、ガス出力ポート２４を通して取り出される。
同時に、周囲の空気中の酸素などの酸化剤が、いくつかの予め決められた条件下で、ガス入力ポート４２を通して、陰極電極４１に導入される。予め決められた条件としては、例えば、流量、温度、圧力、相対湿度、および酸化剤と他のガスとの混合比などのファクターが有るが、これらに限定されない。過剰な酸化剤および生成した水を含む過剰なガスは、ガス出力ポート４４を通して、陰極電極４１から取り出される。前に注目したように、低圧燃料電池システムでは、酸素は、空気ブロワー（図示せず）を用いて、燃料電池スタック内に導入される酸素を含む周囲の空気により供給される。
酸化剤は、電解質膜３０および第二の触媒層４３の存在下で、以下に示す反応式（２）によって、電気化学的に反応する。
１／２O2 + ２H+ + ２e- → H2O （２）
反応式（２）の化学的な生成物は、水である。陽極電極２１で、反応式（１）によって生成された電子およびイオン化された水素原子は、陰極電極４１で、反応式（２）によって、電気化学的に消費される。電気化学反応式（１）および（２）は、互いに他に対して補足的であり、電気化学的に消費される各酸素分子（O2）に対して、二つの水素分子（H2）が、電気化学的に消費されることを示している。
反応体、すなわち、水素と酸素が、燃料電池モジュール１００に運ばれる速度と圧力は、反応式（１）および（２）が行なわれる速度に影響する。反応速度はまた、負荷１１５の電流需要によって影響される。負荷１１５の電流需要が増大するにつれて、反応式（１）および（２）の速度は、電流需要を満たすように増大する。
増大した反応速度は、反応体が、燃料電池モジュール１００の消費要求を支持する速度で補給されないかぎり、維持できない。上で注目したように、燃料電池発電装置（すなわち、図１に示した、負荷に電力を供給するため使用されている燃料電池モジュール）は、良好な定常状態の性能を示すが、負荷からの電流需要の急激な変化に対する動的応答性の点で、十分に動作しない場合がある。
すなわち、燃料電池セルは、一般に、本来的に限定された負荷スルー速度を有しており、これは、ある用途では、十分であるが、緊密な負荷追従が必要な場合は、不十分である。例えば、一般に、ブロワーは、酸化剤としての空気を供給するよう設けられており、ブロワーの速度を変えて空気供給の速度を変える。しかしながら、ブロワーには、一定の慣性が有り、その速度は、瞬間的には変えられず、ブロワーは、一般に、その速度が上がるのに数秒掛かり、その時間は、ブロワーのサイズで左右され、また、ブロワーのサイズは、燃料電池発電モジュールのサイズに関わってくる。他のタイプの燃料電池セルは、迅速な応答を妨げる他の特性を有している場合がある。動的応答性の固有の欠如が不十分であると分かった代表的な燃料電池モジュールの一例は、燃料電池モジュールが、負荷による電流需要変化の推測的な報知を受信しない（あるいは、可能的には、受信することができない）スタンドアロンＡＣ発電システム内に在る。
より急速な動的応答性を有する燃料電池システムを得るためには、燃料電池モジュールを、電池などの、より良い過渡挙動を示す別の電力源と結合すればよい。別のオプションは、電池の代わりにウルトラキャパシタを使用することである。ウルトラキャパシタは、高い電力密度を有する電流バーストを貯蔵し、かつ、迅速に解放するのに適している。詳細には、本発明のいくつかの実施形態によれば、高電流および高容量のウルトラキャパシタを、PEM燃料電池モジュールと有利に組み合わせて、比較的急速な動的応答性を有する燃料電池システムを設けることができる。
別の装置は、ＦＣＭＦの動作中に、電池およびウルトラキャパシタのいずれか、または、両方のＳＯＣＳＯＣのほぼ下側の境界が維持されるよう、使用することができる。本発明のいくつかの実施形態によれば、エネルギー貯蔵モジュールにおける充電状態を適応制御し、かつ、維持するため、電池パック・インタフェースが設けられる。
図１Ａを参照すると、図２〜６のシミュレーション結果を出すのに使用された論理構成が示されている。ここでは、便宜上、図２との関係で以下に説明する場合に用いるのと同様の参照数字を用いる。したがって、エネルギー貯蔵モジュールとしての電池は、１２５で示し、適応エネルギー管理コントローラ１３０の一部を形成するコントローラは、２３１で示してある。ＦＣＰＭ１００からの電流取出し許可信号は、２３７で示し、合計要求電流は、２３９で示してある。したがって、合計要求電流２３９（負荷１１５によって要求される電流）は、引算器５０に接続されている。以下に詳述するように、これはまた、ＦＣＰＭ１００によって供給される電流を指示する信号も受信し、したがって、その差分が、必要な、そして、電池１２５から取り出される電流である。５２は、電池から取り出される、計算された正味の電流である。
追加の信号は、５４の時間信号、５６の電池電力指示信号、５８の電池電圧信号、および６０の電池充電状態（ＳＯＣ）信号を含んでいる。電池電力信号５６は、利用できる電力をキロワット単位に変換する乗算器または利得ユニット６２から供給される。
図１Ａでは、ブロック１２５は、電池１２５のシミュレーションを示し、充電状態６０は、電池１２５から取り出される電流に依存して計算される。
この充電状態信号はまた、電池コントローラにも接続されており、選択されたアルゴリズムに従って、イネーブルＦＣＰＭ信号を設定するのに使用される。ここで、このイネーブルＦＣＰＭ信号は、充電状態信号６０および合計要求電流２３９と共に、６４で示したある種の出力表示装置または同様のものに接続されていることが注目される。
イネーブルＦＣＭＰ信号は、乗算器ユニット６６に接続されており、これはまた、電流取出し許可用の信号２３７にも接続されており、したがって、乗算器６６は、イネーブルＦＣＰＭ信号がセットされた時のみ、電流取出し許可信号２３７を前方に伝える。この電流信号は、上で注目したように、引算器５０に、また、ＦＣＰＭ電流の出力６８にも送られる。ＦＣＰＭイネーブル信号には、さらなる出力７０も設けられている。
図２は、本発明のアスペクトに従って設けられたエネルギー貯蔵モジュール・インタフェースを含む拡張された燃料電池システムの概略図である。具体的には、拡張された燃料電池システムは、燃料電池モジュール１００（図１で説明）（図２ではＦＣＰＭ１００の標識が付いている）を含んでいる。拡張された燃料電池システムはまた、実践的な燃料電池セル試験システムで見出されるいくつかの基本的な特徴も含んでいる。当業者には、実践的な試験システムはまた、ハードウェア、ソフトウェア、およびファームウェアの適当な組合せに加えて、センサー、調整器（例えば、温度、圧力、湿度、および流量制御用）、制御ライン、および支援装置／計装の適当な組合せも含んでいることが理解されよう。さらに、この拡張された燃料電池システムは、ＰＥＭタイプの燃料電池セル用に構成されているが、センサー、調整器などは、他のタイプの燃料電池セル用のものに変えることが必要となる場合もある。
拡張された燃料電池システムはまた、反応体モジュール１２０、適応エネルギー管理コントローラ１３０、およびエネルギー貯蔵モジュール１２５も含んでおり、負荷１１５に接続されている状態を、例としてのみ示してある。反応体モジュール１２０は、ＦＣＰＭ１００用の水素および（または）酸化剤を貯蔵するため設けてある。エネルギー貯蔵モジュール１２５は、鉛酸電池または他の適当なタイプの電池、および（または）ウルトラキャパシタを含む電池パックとすることができる。図２には、電流取出し許可信号（CDA）２３７を示したほか、電流取出し要求（ＣＤＲ）信号２３５も示してある。ＣＤＡ２３７は、ＦＣＰＭの状態により、ＣＤＲ２３５より小さくすることができ、例えば、ＦＣＰＭ１００のセルが損傷されたか、あるいは、通常のレベル以下で動作している場合、小さくすることができる。
適応エネルギー管理コントローラ１３０は、コントローラ２３１およびエネルギー貯蔵モジュール・インタフェース（ＥＳＭＩ）２３３を含んでおり、ＦＣＰＭ１００とエネルギー貯蔵モジュール１２５との間に結合されて、エネルギー貯蔵モジュール１２５のＳＯＣの下側の境界の維持を容易にしている。いくつかの実施形態では、適応エネルギー管理コントローラ１３０によって行なわれるＳＯＣ制御は、安価で、証明済みで、広く利用できる鉛酸電池技術の利用を可能にするものである。鉛酸電池は、放電深さおよび充電率に非常に敏感なので、電気自動車用途では、一般に、使用されない。本発明のアスペクトによる方法では、充電／放電の比率は、電池および（または）使用されるウルトラキャパシタの満容量に近い狭い範囲内で管理される。本発明の他のアスペクトによれば、他のタイプの電池、例えば、リチウム・イオン電池が使用できる。
いくつかの実施形態では、ＥＳＭＩ２３３によって有効化される制御には、回生制動などの追加のエネルギー源も考慮することができる。必要とされる全てのことは、以下でさらに詳述するように、ＳＯＣの目標設定点を変えることである。さらに、電池および（または）ウルトラキャパシタに関連したデューティ・サイクルについてのいかなる推測的な報知も必要としない。設定点は、所望なら、シミュレーションによって推測的にチューニングを取ることができるが、これは、必要ではない。
またさらに、ＦＣＰＭの寿命は、延長することが可能である。なぜなら、拡張された燃料電池システムは、電力アップと電力ダウンそしてアップの厳しい傾斜変化を繰り返しサイクル動作させる必要なしに、ＥＳＭＩ２３３を用いて最適化された定常状態で動作可能にすることができるからである。
本発明の範囲は、他のエネルギー貯蔵装置を含んでおり、シミュレーション・データは、本発明のアスペクトによる制御方法が、ウルトラキャパシタ・システムと組み合せたＦＣＰＭに適用できることを示している。この制御方略は、ウルトラキャパシタからの電圧リミットにおいて狭い振幅を維持することを可能にするであろう。これは、ある用途に対して、リザーブ電力が必要とされる場合に有利である。より大きな電圧振幅が、望まれるか、あるいは、ある用途に対して許容できる場合は、この制御方略は、適切な設定点を最高および最低電圧に設定することによって、これを考慮する。同じ制御論理は、エネルギー貯蔵媒体とは無関係に利用できる。この制御方略は、電圧および電流リミット（最高および最低）に対する最適な設定点を決定するため、電池化学の知識の使用を必要とする場合がある。上で説明したように、所望の充電状態を維持するためには、制御利得をチューニングして、各電池モデルおよびタイプ独特の能率に取り組めばよい。
図３を参照し、続いて図２を参照すると、５８５Ａｈ（Ａｈはアンペア時）の最大容量を有する第一の電池パックの、純然たる電気的放電中の、放電電圧、放電電流、および充電状態（ＳＯＣ）についてのシミュレーション結果を示す好適な一組のグラフが示されている。すなわち、図２を参照すると、エネルギー貯蔵モジュール１２５は、５８５Ａｈの容量を有する電池パック１２５である。充電率は、履歴的な平均データ（デューティ・サイクルに基づく）に関連づけられる。アンペア時が、計算され、ＳＯＣが、一定の目標値に達したと判定された時、ＦＣＰＭ１００は、オフに切り換えられる。したがって、切換え点は、ＳＯＣを測定するハードウェア計装の使用によってではなく、アンペア時の簡単な計算によって判定される。別法として、アンペア時を計算する代わりに、一定の時間に亘って電池電圧を監視して、ＳＯＣを予測することもできる。また、例えば、使用する電池のタイプによって、両方の方法を同時に使用し、かつ、「アンド」または「オア」関係と論理的に組み合わせることもできる。これは、使用される電池または他の貯蔵装置のタイプで完全に決まると言える。例えば、鉛酸電池は、ＳＯＣを電池の端子電圧から判定することを可能にする分極曲線を有している。他のタイプの電池、例えば、ＮｉＭＨは、平らな特性曲線を示し、したがって、充電状態の指示は、電圧では、ほとんど得られないが、ＮｉＭＨの場合、他の方法、例えば、電池温度を監視する方法が可能である。図３は、電池パック１２５を再充電することなく、一定の時間に亘って、純然たる放電を行う場合のベースライン・ケースを示す。上側のグラフは、経過時間の関数としての出力電圧を示し、真ん中のグラフは、経過時間の関数としての取出し電流を示し、下側のグラフは、経過時間の関数としての、一般に３-１で表わされるＳＯＣを示す。
図４は、放電電圧、放電電流、ＳＯＣ４-１、および燃料電池発電モジュール（ＦＣＰＭ）イネーブル／充電信号４-２についてのシミュレーション試験結果を示す、第一の一組の延長時間グラフ例である。ＦＣＰＭイネーブル／充電信号は、電池パック１２５を充電するためのデューティ・サイクルを指示する。図４で示すデータに対応するシミュレーションでは、５８５Ａｈの電池パック１２５は、図３と同じ負荷曲線で動作し、ＦＣＰＭ１００は、電池パック１２５を特定の時間で、かつ、０．１３６Ｃ（この場合は８０Ａ）に等しい充電電流で充電する（ここで１．０Ｃは、電池パック１２５のアンペア単位で表わされた最大容量、すなわち、ここでは５８５アンペアを表わす）。上側の二つのグラフは、電池パックの、経過時間の関数としての電流および電圧を示す。下側の二つのグラフは、電池のＳＯＣ４-１およびＦＣＰＭイネーブル信号４-２を経過時間の関数として示す。電池パック１２５の充電を開始／停止させるＦＣＰＭイネーブル信号４-２に対して選択された設定点は、０．９ＳＯＣである。図４では、ＦＣＰＭ１００は、シミュレーション動作の開始から約２５００秒で電池パック１２５を充電するよう動作させ、かつ、シミュレーションの終わりまで動作状態にしておく。シミュレーション結果は、ＳＯＣ４-１は、この例（０．１３６Ｃ）の充電電流を用いた場合、ＦＣＰＭ１００を連続的に動作させても、所望の値０.９以上には維持できないことを示している。これは、恐らく、クーロン非効率から生ずるシステム損失によっている。本発明のいくつかのアスペクトによれば、以下に述べるように、利得パラメータを利用して、所望のＳＯＣレベルを維持し、かつ、クーロン非効率を克服することができる。
図５は、放電電圧、放電電流、ＳＯＣ５-１、およびＦＣＰＭイネーブル／充電信号５-２についてのシミュレーション試験結果を示す、第二の一組の延長時間グラフ例である。このシミュレーションでは、充電電流は、０．１４６Ｃ（この特定の例では８５．４Ａ）に設定されている。結果は、ＳＯＣ５-１は、図４の場合に比べて、より高いレベルに維持され、かつ、負荷からの電力需要の変化によるいくらかの変動は有るが、一般に、所望の充電状態０．９Ｃを維持している。しかしながら、ＳＯＣ５-１は、この例（０．１４６Ｃ）の充電電流を用いて、所望の値以上に維持することはできるが、欠点は、電池パック１２５の充電を維持するためには、ＦＣＰＭイネーブル信号５-２、したがってＦＣＰＭ１００を連続的に高い状態で動作させなければならないことである。
図６は、放電電圧、放電電流、ＳＯＣ６-１、およびＦＣＰＭイネーブル／充電信号６-２についてのシミュレーション試験結果を示す、第三の一組の延長時間グラフ例である。このシミュレーションでは、充電電流は、０．２Ｃ（この特定の例では１１７Ａ）に設定されている。したがって、ＳＯＣ６-１は、図４および５に示したシミュレーション結果に比べて、より高いレベルに維持することができる。事実、ＳＯＣ６-１は、完全に近い充電レベルに接近し、もし、ＦＣＰＭイネーブル信号６-２を、充電プロセスに対して停止を指示するよう変化させなかったとしたら、完全な充電レベルに達していたはずである。すなわち、ＳＯＣ６-１は、ＦＣＰＭイネーブル信号６-２がオフ状態に切り換えられる直前に到達する最高値（０.９５Ｃ）と、ＦＣＰＭイネーブル信号６-２が、オン状態に切り換えられる直前に到達する最低値（０．９Ｃ）との間を変動する。ＳＯＣ６-１が変動する範囲は、最高および最低の電池電圧値で規定することができ、かつ、本発明の異なる実施形態では、使用する電池のタイプおよび電池システムを使用する用途により変えることができる。
図６はまた、ＦＣＰＭ１００をオンおよびオフに切り換える効果を明瞭に示している。すなわち、オンにすると、電池電圧は、より高くなり、かつ、ＳＯＣが０.９５に近づくにつれて、上向きに傾斜変化し、ＦＣＰＭをオフに切り換えると、電圧は、降下し、かつ、ＳＯＣが、０．９Ｃの値まで傾斜降下するにつれて、傾斜降下する。一般に、充電率が高ければ高いほど、電池端子の電圧に対するその影響は、より顕著になる。これは、少なくとも部分的には、内部電池抵抗によるものである。この抵抗の両端の電圧降下は、充電率に左右され、かつ、この電圧降下は、電池端子に現れる電圧に加えられる。したがって、FCMPを高いレベルで充電するよう設定し、次いで、頻繁にオン・オフさせると、電池端子に大きな電圧振幅が生ずる。他の好適な充電率は、０．１３６Ｃ、０．２５Ｃ、０．３Ｃ、０．４Ｃ、および０．８Ｃであり、これらは全て、電池の容量をアンペア単位で表わしたものを１．０Ｃとして求めた値である。
ここで図１Ｂを参照すると、これは、電池の充電状態を管理するための適応エネルギー管理システムまたは技法のインプリメンテーションを含む、図１Ａの構成の変形例を示している。簡単さおよび簡潔さのため、図１Ｂの同様な構成要素には、図１Ａと同じ参照番号を付け、かつ、これら構成要素の説明は、繰り返さない。
要するに、図１Ｂにおいては、エネルギー貯蔵モジュール・インタフェース（ＥＳＭＩ）２３３が、追加的に示されている。
このエネルギー貯蔵モジュール・インタフェース２３３は、時間信号５４用の入力、および要求または取出し電流２３９用の入力を有している。それはまた、以下に詳しく説明するように、電流積分用の入力７２を有している。
エネルギー貯蔵モジュール・インタフェース２３３は、その出力側に、電流平均出力を有しており、これは、電流取出し許可信号２３７を与え、また、乗算器６６に接続されており、したがってＦＣＰＭ１００にイネーブル信号を与える。また、電流開始信号用の出力７４、および時間開始信号７６用の出力７６も有している。時間開始信号７６は、引算器７８に接続されており、ここで、それは、現在の時刻から引かれて、時間期間の開始からの経過時間を効果的に与える。この経過時間は、次いで、ユニット８０に送られ、ここで、それは、区間ユニット８２から与えられる設定された時間区間と比較される。経過時間が、区間ユニット８２から供給される時間区間より大きい場合は、次いで、エネルギー貯蔵モジュール・インタフェース２３３の制御入力８４に信号が供給される。
積分ユニット８６も、この制御信号を受け取り、さらに電流開始信号６４および電流要求または取出しも受け取る。積分ユニット８６は、時間について電流を積分して、例えば、アンペア時として測定される供給された総電荷の量を与える。この信号は、７２で示したように、ＥＳＭＩ２３３に供給される。
使用の際には、信号２３７により、ある期間に対して設定すべき平均電流は、以前の時間期間で求めた総電荷量（積分された電流信号７２）により設定される。したがって、次の、あるいは、第二の時間期間では、この平均電流が、供給され、同時に、総計の取出し電流が、再び時間について積分されて、第二の時間期間中に渡された電荷の量が得られる。したがって、連続的に、ＥＳＭＩ２３３は、各時間区間中にＦＣＰＭ１００によって渡される電流を調整し、かつ、以前の電流履歴、もしくは、供給された総電荷量に依存して、電池パック１２５の充電状態を所望のレベルに維持する。充電状態が、所望のレベルを超える場合は、イネーブルＦＣＰＭ信号は、設定されない。
図７は、本発明のアスペクトによる、放電電圧、放電電流、ＳＯＣ７-１、およびＦＣＰＭイネーブル／充電信号７-２についてのシミュレーション試験結果を示す、第一の一組の延長時間グラフである。より具体的には、図７は、本発明のアスペクトによる適応エネルギー管理（ＡＥＭ）システムおよび方法によるシミュレーション結果を示している。より具体的には、図７は、図３〜６の場合と同じ負荷１１５を駆動する５８５Ａｈの電池パック１２５を示しており、ＦＣＰＭ１００は、以下に説明するように計算される変化する電流取出し要求（ＣＤＲ）に等しい充電電流で、電池パック１２５を充電する。
本発明のいくつかのアスペクトによって、適応的かつ変化的な電流平均化充電手順を用いて、電池パック１２５を充電したが、その際、簡単な２元のオン／オフ信号とは対照的に、ＦＣＰＭ１００から取り出される充電電流に比例したレベルに設定したＦＣＰＭイネーブル／充電信号７-２に時間平均化周期を適用した。
本発明のいくつかのアスペクトによれば、デューティ・サイクルの「移動」時間平均は、測定された取出し電流、測定された取出し電力、電流取出し要求、または電力取出し要求のうちの一つの形を取る。本発明のいくつかのアスペクトによれば、時間平均取出し電流が、計算され、かつ、選択された時間区間に亘る平均化された電流が、ＦＣＰＭ（例えば、ＦＣＰＭ１００）に対する電流取出し要求（ＣＤＲ）となる。これは、各種のやり方で行うことができる。すなわち、選択された期間に亘る時間についての電流の真の積分、時間期間中に取られた選択された数の電流データ点の平均、あるいは、終点、すなわち時間期間の終点における電流の平均とすることができる。いくつかの用途では、移動窓を用いることができる場合がある。本発明のいくつかのアスペクトによれば、移動平均区間の時間期間は、充電電流の大きさに影響を与える場合がある。以下に、本発明のアスペクトによるＦＣＰＭイネーブル／充電信号のレベルの決定法を説明する。
図７を詳しく参照すると、上側の二つのグラフは、経過時間の関数としての取出し電流および電圧を示している。下側の二つのグラフは、経過時間の関数としての電池ＳＯＣ７-１およびＦＣＰＭ７-２を示している。図７は、１５秒の時間平均化周期を利用した結果を示しているが、この１５秒は、例としてのみ選択されたものである。当業者は、時間平均化周期は、特定の用途に具体的に適するよう、調整／選択することができ、かつ、他の好適な平均化周期は、３０、６０、１２０、１８０、３００、および６００秒であることが理解されよう。この結果は、ＳＯＣ７-１が、非常に小さな変動で、ほぼ一定のレベル（この特定の例では約０．９Ｃ）に維持されることを示している。
図８は、本発明のアスペクトによる、放電電圧、放電電流、ＳＯＣ８-１、およびＦＣＰＭイネーブル／充電信号８-２についてのシミュレーション試験結果を示す、第二の一組の延長時間グラフである。より具体的には、図８は、図７に示したグラフに対応するグラフを示しているが、３０秒の時間平均化周期を利用している。図８に示した結果は、ＳＯＣ８-１が、３０秒の時間平均化周期を用いる時間に亘って、ゆっくりと減少することを示している。一般に、時間平均化周期が、閾値（例えば、図７に示したこの例では１５秒）を超えて増大すると、電池パックのＳＯＣが、図８の場合のように、予め決められた下側の境界（例えば、０．９０Ｃ）以下に落ちる可能性が増大する。本発明のいくつかのアスペクトによれば、（以下に説明するように）、この効果を補償するため、利得係数を導入することができる。
図９は、本発明のアスペクトによる、放電電圧、放電電流、ＳＯＣ９-１、およびＦＣＰＭイネーブル／充電信号９-２についてのシミュレーション試験結果を示す、第三の一組の延長時間グラフである。より具体的には、図９は、図７および８に示したグラフに対応するグラフを示しているが、６００秒の時間平均化周期を利用している。ＳＯＣ９-１は、図８で得られた結果で確立した傾向に従い、この特定の時間平均化周期を用いる一定の時間に亘って、減少するが、より長い平均化周期により、より迅速な減少速度およびより大きな変動量の両方を示す。これは全て、可変ＦＣＰＭイネーブル／充電信号９０２により指示されるＦＣＰＭ１００の可変動作とは無関係に生ずる。
図１０は、本発明のアスペクトによる、放電電圧、放電電流、ＳＯＣ１０-１、およびＦＣＰＭイネーブル／充電信号１０-２についてのシミュレーション試験結果を示す、第四の一組の延長時間グラフである。続いて図２を参照すると、図１０で得られたシミュレーション結果は、２９３Ａｈの最大容量を有する電池パック１２５、および適応的な電流平均化充電手順を用い、時間平均化周期を利用した本発明のアスペクトによる第二の充電スキームで得られたものである。
本発明のいくつかのアスペクトによれば、デューティ・サイクルの「移動」時間平均は、測定された取出し電流、測定された取出し電力、電流取出し要求、または電力取出し要求のうちの一つの形を取る。本発明のいくつかのアスペクトによれば、時間平均取出し電流が、計算され、かつ、選択された時間区間に亘る平均化された電流が、ＦＣＰＭ（例えば、ＦＣＰＭ１００）に対する電流取出し要求（ＣＤＲ）となる。本発明のいくつかのアスペクトによれば、移動平均区間の時間期間は、充電電流の大きさに影響を与える場合がある。以下に、本発明のアスペクトによるＦＣＰＭイネーブル／充電信号のレベルの決定法を説明する。
図１０を詳しく参照すると、上側の二つのグラフは、経過時間の関数としての取出し電流および電圧を示している。下側の二つのグラフは、経過時間の関数としての電池ＳＯＣ１０-１およびＦＣＰＭイネーブル／充電信号１０-２を示している。結果は、図７に示した結果の場合と同様、１５秒の時間平均化周期を利用して得られた。図７に示した結果の場合と同様、この場合も、ＳＯＣ１０-１は、非常に小さな変動で、ほぼ一定のレベル（この特定の例では約０．９Ｃ）に維持されている。
図１１は、本発明のアスペクトによる、放電電圧、放電電流、ＳＯＣ１１-１、およびＦＣＰＭイネーブル／充電信号１１-２についてのシミュレーション試験結果を示す、第五の一組の延長時間グラフである。図１１は、図１０で示したグラフに対応するグラフを示しているが、３０秒の時間平均化周期を利用している。結果は、ＳＯＣ１１-１が、図１０に示した変動よりややより大きな変動で、ほぼ一定のレベル（この特定の例では約０．９Ｃ）に維持されることを示している。図８に示した結果（これは、ＳＯＣ８-１が、時間平均化周期が３０秒の場合、一定の時間に亘って減少することを示している）とは対照的に、ＳＯＣ１１-１は、ＦＣＰＭイネーブル／充電信号１１-２に適用された電流利得係数の追加の結果として、維持されている。以下に、電流利得係数の決定法を説明する。
図１２は、本発明のアスペクトによる、放電電圧、放電電流、ＳＯＣ１２-１、およびＦＣＰＭイネーブル／充電信号１２-２についてのシミュレーション試験結果を示す、第六の一組の延長時間グラフである。図１２は、図１０で示したグラフに対応するグラフを示しているが、６００秒の時間平均化周期を利用している。結果は、ＳＯＣ１２−２が、電流利得係数の適用にも係らず、この特定の時間平均化周期を用いる一定の時間に亘って、ゆっくりと減少することを示している。
提供したシミュレーション結果について示したように、本発明のいくつかのアスペクトによれば、ＦＣＰＭイネーブル／充電信号に適用できるチューニング可能な／調整可能な制御パラメータを用いることが有利な場合もある。本発明のいくつかのアスペクトによれば、このようなパラメータは、電流利得係数または利得パラメータの形を取ることができる。
さらに、適応エネルギー管理制御手順に従って、電流取出し要求（ＣＤＲ）を、次の式（３）を用いて求めることができる。
ＣＤＲ = （利得 * 時間_平均_負荷_電流） （３）
時間_平均_負荷_電流は、代表的な時間区間、例えば６００秒に亘る時間平均である。
利得パラメータ、利得は、次の式（４）を用いて推計する。
利得 = ES_V／FC_V／C （４）
ES_V項は、維持すべき所望の目標ＳＯＣにおける電池エネルギー貯蔵電圧である。FC_V項は、最大電流密度（一般に約０．８Ａ／ｃｍ2）におけるＦＣＰＭ電圧である。C項は、平均化された電池クーロン効率および平均化された電力エレクトロニクス効率の最低値である。
以下は、１０ｋＷのＦＣＰＭおよびＮｉＣｄエネルギー貯蔵（ES）電池モジュールを用いた場合の計算例である。

ES_V = ７７.８２ Ｖ ０.９のＳＯＣにおけるＮｉＣｄ電池の電圧
FC_V = ４０.２８ Ｖ ０.８ Ａ／ｃｍ2におけるハイドロジェニクスHyPM １０ ＦＣＰＭの場合
C = 最低（０.９、０.９４５） = ０.９ （平均的な電池クーロン効率は、０.９であり、平均的なブースト変換器効率（電力エレクトロニクス効率）は、０.９４５である。）
したがって、制御利得 = ７７.８２／４０.２８／０.９ = ２.１４６５。
上記の説明は、実施形態の例であるが、本発明は、正当な意味および添付のクレームの範囲を逸脱することなしに、修正および変更の余地が有ることが分かるであろう。したがって、上記の説明は、単に本発明の実施形態のアスペクトの用途を説明するものにすぎず、本発明の多数の修正および変形例が、上記の教示に照らして可能である。
本発明は、一つの先行する時間期間において、電池または他のエネルギー貯蔵装置からの電力消費量を記録し、あるいは計算し、次いで、この電力消費量を用いて、第二の、続いて起こる時間期間でＦＣＰＭ１００が生成すべき電力を決定して、エネルギー貯蔵装置に補給する原理を基にしている。これらの時間期間は、ＦＣＰＭ１００を新しい動作レベルに調整するのに必要な時間に比べて、比較的長く取ることができ、かつ、各期間中、ＦＣＰＭ１００は、実質的に一定のレベルで動作する。
本発明は、具体的には、まさに最大電力までの電力の大部分が、エネルギー貯蔵モジュールによって生成されるシステムに適用可能であるよう意図されている。例えば、自動車タイプの用途では、２５キロワットの容量を有するＦＣＰＭ１００および最大定格１００キロワットを有するエネルギー貯蔵モジュール１２５が実現可能であろう。（エネルギー貯蔵装置の最大定格は、燃料電池セル電力ユニットの最大定格に比べて、正確さがはるかに低い量の場合があることが理解されよう。例えば、ウルトラキャパシタは、短い時間期間の間なら、非常に高い電力レベルで供給できるが、多くの電池では、内部抵抗が高いため、内部抵抗による損失および結果としての熱発生が許容できれば、高い電力レベルが得られる。）このようなセットアップでは、最大電力は、ＦＣＰＭ１００および電池または他のエネルギー貯蔵モジュール１２５の両方が、最大容量で動作した場合、１２５キロワットとなるであろうことが、理解されよう。より小形の車両、例えば、近隣住区電気自動車に基づくものは、ＦＣＰＭ１００は、５キロワットと定格し、３０キロワットのウルトラキャパシタ・バンク（エネルギー貯蔵モジュール１２５となる）と組み合わせることができよう。
したがって、このようなセットアップでは、大部分の時間の間、電力は、エネルギー貯蔵モジュール１２５によって供給され、かつ、ＦＣＰＭ１００は、エネルギー貯蔵モジュール１２５を、実質的に一定の充電状態に維持するよう動作するであろうことが、想像される。また、最大電力が必要とされる場合（例えば、突然の加速、登坂、などの場合）は、エネルギー貯蔵モジュール１２５から最大電流の取出しが必要となり、同時にＦＣＰＭ１００は、最大容量で動作する場合があることが認識されよう。
同様に、任意の与えられた時間期間におけるＦＣＰＭ１００の動作は、その時間期間に先行する電力に基づくことが意図されているが、大部分の用途では、動作条件が突然に変わる場合は、ある種のオーバライド・タイプの機能が働くことが望ましいか、あるいは、必要であろう。例えば、上で注目したように、高い電力レベルに対する突然の需要が生じた場合、取り出された電力の当面の過去の履歴とは無関係に、ＦＣＰＭ１００は、最高の動作レベルに切り換えられるべきである。対応的に、車両が、一般に一様な電力レベルで運転されていた状態で、突然に停止された場合は、ＦＣＰＭ１００を当面の過去の動作履歴によって決定される電力レベルで動作させ続けるのではなく、迅速に停止させることが必要となる場合がある。
ＦＣＰＭ１００は、エネルギー貯蔵モジュール１２５を所望のＳＯＣに維持するよう動作するであろうことが、示唆されている。貯蔵のタイプにもよるが、このＳＯＣを別個に監視することが可能である（別個に監視する理由は、さもないと、エネルギー貯蔵モジュール１２５から取り出される電力およびそれに供給される電力の連続的な積分または計算を行なって、その現在のＳＯＣを判定しなければならないからである）。このＳＯＣは、エネルギー貯蔵モジュールの特性、および、それが、どの程度までＳＯＣの広い振れを受け入れることができるか、を含む多数の特性により設定することができる。
自動車および他の用途の場合は、一般に、ＳＯＣを十分低いレベルにして、実際、回生制動でエネルギーを回復するのに利用できる貯蔵室が、エネルギー貯蔵モジュール１２５の中に有るようにするのが望ましいであろう。したがって、いかなる時でも、望ましくは、設定されたＳＯＣと最高ＳＯＣとの間の差は、回生制動によって車両の最高速度から回復できるであろうエネルギーに相当する。
時間期間の長さの選択については、これは、個々の構成要素の特性、および特定のシステムの動作特性に依存することになる。例えば、電力需要に、頻繁で大幅な変動が有る場合は、比較的短い時間期間にして、エネルギー貯蔵モジュールを所望の充電状態に維持することが必要な場合がある。他方、電力需要に大きな変動が有るが、それらは、比較的短い継続時間のものである場合は、比較的長い期間にして、実際、各期間内で、それらの変動をいくらか平滑にするのが、より有利である場合がある。また、各種の技法を用いて、サンプリング速度を設定し、かつ、そのサンプリング速度を変化させて、例えば、エネルギー貯蔵モジュール１２５から取り出される電力の導関数を取り、これが、高いレベルを示して、大きな、かつ、多くの変動を指示する場合は、それにより、より短い時間期間を設定することもできる。
自動車用途の場合は、これは、実際、異なる運転条件同士の間でシステムを調整することを可能にするであろう。例えば、市内運転で、電力需要に多くの、かつ、大幅な変動が有る場合は、比較的短い時間期間を設定することができよう。他方、上記の導関数法、または、何らか他の技法を用いる場合は、これは、車両が高速道路条件で実質的に一定の電力レベルで動作する時、検出することができよう。したがって、時間期間は、実質的に同じ充電状態を維持しながら、長くすることができよう。これは、ＦＣＰＭ１００を、動作条件のより少ない変化で、より一定の条件で動作させることを可能にするであろうし、また、これは、一般に、ＦＣＰＭ１００の効率を向上させることになろう。
鉛酸、リチウムイオン、およびニッケル水素電池などの各種の異なる貯蔵装置が使用でき、また、ウルトラキャパシタが、非電池貯蔵媒体として使用できる。これらの、また、任意の他の適当な貯蔵装置は、二つまたはそれ以上の異なるタイプの装置を含む組合せで使用できる。さらに、得られた総貯蔵量の比率は、変更でき、使用された各貯蔵装置のタイプについて同じである必要はない。
ここで疑念を回避するため付言すれば、ＳＯＣの事前の報知は、不要であることに注目したい。本発明は、貯蔵モジュールから電力を供給し、次いで、ＦＣＰＭ１００によって供給される電力が、これにマッチして、一様なＳＯＣを維持することを保証するというコンセプトに基づいている。貯蔵モジュールから利用できる電力が、ＦＣＰＭ１００からのそれより大きい場合は、これは、「電池支配の」または「パワー・モジュール支配の」システムと考えることができる。
燃料電池モジュールの簡単化された概略図である。 図２〜６のデータを生成するのに使用された論理構成のダイヤグラムである。 図７〜１２のデータを生成するのに使用された論理構成のダイヤグラムである。 本発明の一実施形態による適応電流制御を有する燃料電池システムの概略図である。 第一の電池パックの、純然たる電気的放電中の、放電電圧、放電電流、および充電状態（ＳＯＣ）のシミュレーション結果を示す、一組のグラフ例である。 放電電圧、放電電流、ＳＯＣ、および燃料電池発電モジュール（ＦＣＰＭ）イネーブル信号のシミュレーション試験結果を示す、第一の一組の延長時間グラフ例である。 放電電圧、放電電流、ＳＯＣ、および燃料電池発電モジュール（ＦＣＰＭ）イネーブル信号のシミュレーション試験結果を示す、第二の一組の延長時間グラフ例である。 放電電圧、放電電流、ＳＯＣ、および燃料電池発電モジュール（ＦＣＰＭ）イネーブル信号のシミュレーション試験結果を示す、第三の一組の延長時間グラフ例である。 本発明のアスペクトによる、放電電圧、放電電流、ＳＯＣ、および燃料電池発電モジュール（ＦＣＰＭ）イネーブル／充電信号のシミュレーション試験結果を示す、第一の一組の延長時間グラフである。 本発明のアスペクトによる、放電電圧、放電電流、ＳＯＣ、および燃料電池発電モジュール（ＦＣＰＭ）イネーブル／充電信号のシミュレーション試験結果を示す、第二の一組の延長時間グラフである。 本発明のアスペクトによる、放電電圧、放電電流、ＳＯＣ、および燃料電池発電モジュール（ＦＣＰＭ）イネーブル／充電信号のシミュレーション試験結果を示す、第三の一組の延長時間グラフである。 本発明のアスペクトによる、放電電圧、放電電流、ＳＯＣ、および燃料電池発電モジュール（ＦＣＰＭ）イネーブル／充電信号のシミュレーション試験結果を示す、第四の一組の延長時間グラフである。 本発明のアスペクトによる、放電電圧、放電電流、ＳＯＣ、および燃料電池発電モジュール（ＦＣＰＭ）イネーブル／充電信号のシミュレーション試験結果を示す、第五の一組の延長時間グラフである。 本発明のアスペクトによる、放電電圧、放電電流、ＳＯＣ、および燃料電池発電モジュール（ＦＣＰＭ）イネーブル／充電信号のシミュレーション試験結果を示す、第六の一組の延長時間グラフである。

Claims (20)

  1. 燃料電池発電モジュールと電気エネルギー貯蔵モジュールとの間に接続可能な、該燃料電池発電モジュールの動作を調整するための、エネルギー貯蔵モジュール・インタフェースにおいて、該エネルギー貯蔵モジュールは、使用の際、負荷に接続可能であり、かつ、該エネルギー貯蔵モジュールは、
    該負荷によって取り出される電力を指示するプロセス・パラメータを測定するための測定装置と、
    第一の予め設定された時間期間に亘って取り出される電力を指示する時間平均値を計算し、かつ、記憶するための計算および記憶装置と、
    を含み、
    該記憶された時間平均値は、該適応エネルギー管理コントローラによって、該第一の時間期間に続く第二の時間期間の間、該燃料電池発電モジュールの動作を調整するための実際の電流取出し要求設定点信号として使用される、
    ことを特徴とするエネルギー貯蔵モジュール・インタフェース。
  2. 該測定装置によって測定される該プロセス・パラメータは、該負荷によって取り出される電力、要求される電力、取り出される電流、および要求される電流のうちの一つである、請求項１記載のエネルギー貯蔵モジュール。
  3. 該時間平均値は、移動時間平均、平均値、および終点-終点平均からなるグループから選択される、請求項１記載のエネルギー貯蔵モジュール。
  4. 該燃料電池スタックを調整するための制御ユニットをさらに含む、請求項３記載のエネルギー貯蔵モジュール。
  5. 該制御ユニットは、該燃料電池発電モジュールによって供給される電流に適用されるべき利得を計算するための利得計算装置を含む、請求項４記載のエネルギー貯蔵モジュール。
  6. 該利得計算装置は、該燃料電池セルによって供給される電流を設定するため、下記の式、すなわち、
    電流取出し要求 = 「利得」 x 記憶された時間平均値
    によって電流取出し要求を計算する、請求項５記載のエネルギー貯蔵モジュールにおいて、
    該「利得」は、次の式、すなわち、
    利得 = ES_V／FC_V／C
    によって計算され、
    ここで、ES_Vは、該エネルギー貯蔵モジュールの、所望の目標充電状態における電圧であり、
    FC_Vは、該燃料電池発電モジュールの、最大電流密度における電圧であり、かつ、
    Cは、該エネルギー貯蔵モジュールの、平均化されたクーロン非効率の最低値であり、かつ、該電力エレクトロニクスの、平均化された非効率である、
    請求項５記載のエネルギー貯蔵モジュール。
  7. 該第一および第二の時間期間は、同じである、請求項１記載のエネルギー貯蔵モジュール。
  8. 該第一および第二の時間期間は、異なっている、請求項１記載のエネルギー貯蔵モジュール。
  9. 該燃料電池発電モジュールの最大電力出力は、該エネルギー貯蔵モジュールの最大電力出力より少ない、請求項１記載のエネルギー貯蔵モジュール。
  10. 該エネルギー貯蔵モジュールは、該燃料電池発電モジュールの最大電力出力の４乃至５倍の範囲内である最大電力出力を有している、請求項９記載のエネルギー貯蔵モジュール。
  11. 電気エネルギー貯蔵モジュールに電気的に接続可能な燃料電池発電モジュールを含む燃料電池システムを動作させる方法であって、該方法は、
    ａ） 該燃料電池システムを負荷に接続する工程と、
    ｂ） 該負荷によって取り出される電力を指示するプロセス・パラメータを測定する工程と、
    ｃ） 第一の予め設定された時間期間に亘って取り出される電力の時間平均値を計算し、かつ、記憶する工程と、
    ｄ） 該記憶された平均値を、該適応エネルギー管理コントローラに対する実際の電流取出し要求設定点信号として使用して、該燃料電池発電モジュールの動作を、続く第二の時間期間の間、調整する工程と、
    ｅ） 工程ｂ）乃至工程ｄ）を該第二の時間期間の終わりから繰り返す工程と、
    を含むことを特徴とする方法。
  12. 工程（ｂ）は、該負荷によって取り出される電力、要求される電力、取り出される電流、および要求される電流のうちの一つを測定する工程を含む、請求項７記載の方法。
  13. 工程ｂ）における該時間平均は、移動時間平均、平均値、および終点-終点平均からなるグループから選択される、請求項１１記載の方法。
  14. 該第二の時間期間を、該第一の時間期間と同じであるように選択する工程を含む、請求項１１記載の方法。
  15. 該第一および第二の時間期間の長さを変化させる工程を含む、請求項１１記載の方法。
  16. 燃料電池発電モジュール、電気エネルギー貯蔵モジュール、および適応エネルギー管理コントローラを有する電気化学電池システムを動作させる方法であって、該方法は、
    ａ） 燃料電池発電モジュールを、該適応エネルギー管理コントローラを介して、該電気エネルギー貯蔵モジュールに接続する工程と、該電気エネルギー貯蔵モジュールを負荷に接続して、電力を該負荷に供給する工程と、
    ｂ） 該負荷によって取り出される電力を指示するプロセス・パラメータを測定する工程と、
    ｃ） 第一の予め設定された時間期間に亘って該負荷によって取り出される電力の時間平均値を計算し、かつ、記憶する工程と、
    ｄ） 記憶された平均値を、該適応エネルギー管理コントローラに対する実際の電流取出し要求設定点信号として使用して、該燃料電池発電モジュールの動作を、続く第二の時間期間の間、調整する工程と、
    ｅ） 工程ｂ）、ｃ）、およびｄ）を該第二の時間期間の終わりから繰り返す工程と、
    を含むことを特徴とする方法。
  17. 燃料電池発電モジュールおよび電気エネルギー貯蔵モジュールを有する電気化学電池システムであって、該燃料電池発電モジュールは、燃料電池スタック、該燃料電池スタックを少なくとも一つのプロセス流体と流体連通状態で制御可能に接続するバランス・オブ・プラント・ユニット、該電気エネルギー貯蔵モジュールに接続可能な該燃料電池発電モジュールの出力、および負荷に接続可能な該電気エネルギー貯蔵モジュールの出力を含むシステムにおいて、該システムは、さらに、
    該燃料電池発電モジュールと該電気エネルギー貯蔵モジュールとの間に接続可能な、該燃料電池発電モジュールの動作を調整するための適応エネルギー管理コントローラであって、該適応エネルギー管理コントローラは、
    該負荷によって取り出される電力を指示するプロセス・パラメータを測定するための測定装置と、
    第一の予め設定された時間期間に亘って取り出される電力を指示する時間平均値を計算し、かつ、記憶するための計算および記憶装置と、
    を含む適応エネルギー管理コントローラ、
    を含み、
    該記憶された時間平均値は、該燃料電池発電モジュールの動作を調整するための該適応エネルギー管理コントローラによって、該第一の時間期間に続く第二の時間期間の間、実際の電流取出し要求設定点信号として使用される、
    ことを特徴とするシステム。
  18. 該時間平均値は、移動時間平均、平均値、および終点-終点平均からなるグループから選択される、請求項１７記載のシステム。
  19. 該システムは、該燃料電池スタックおよび該バランス・オブ・プラント・ユニットを調整するための制御ユニットをさらに含む、請求項１８記載のシステム。
  20. 該適応エネルギー管理コントローラは、該制御ユニットを含む、請求項１９記載のシステム。
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