PL192917B1

PL192917B1 - Sposób sterowania ogniwami paliwowymi

Info

Publication number: PL192917B1
Application number: PL344400A
Authority: PL
Inventors: Masayoshi Iwase
Original assignee: Toyota Motor Co Ltd
Priority date: 1998-06-25
Filing date: 1999-05-31
Publication date: 2006-12-29
Also published as: BR9912195B1; EP1091437B1; KR20010052874A; CZ20004840A3; CA2333122A1; CZ299893B6; KR100386145B1; BR9912195A; US20010018138A1; JP4464474B2; CN1307735A; US20040048119A1; EP1091437A1; US6656618B2; DE69940431D1; PL344400A1; JP2000012059A; EP1091437A4; US7476457B2; WO1999067846A1

Abstract

1. Sposób sterowania ogniwami paliwowy- mi, które zasila sie gazem i wytwarza sie ener- gie elektryczna, w którym to sposobie mierzy sie wielkosc zwiazana z natezeniem przeplywu gazu dostarczanego do ogniw paliwowych, znamienny tym, ze okresla sie punkt pracy zwiazany z charakterystyka pradu elektryczne- go wyjsciowego w funkcji napiecia wyjsciowego dla ogniw paliwowych, odpowiadajaca obser- wowanej wielkosci zwiazanej z natezeniem przeplywu gazu i reguluje sie moc elektryczna pobierana z ogniw paliwowych, przez co pobu- dza sie ogniwa paliwowe w okreslonym punkcie pracy. PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób sterowania ogniwami paliwowymi dla pobudzenia ogniw paliwowych z dużą wydajnością przemiany energii.

Znany jest z japońskiego opisu wynalazku JP04082169 układ elektrycznych ogniw paliwowych zasilany energią zawartą w gazie, składający się z układu pomiarowego natężenia przepływu gazu i układu regulującego moc elektryczną.

Znany jest układ ogniw paliwowych, pokazany na fig. 5, zamontowany na pojeździe elektrycznym, w którym reaktor 128 do reformingu odbiera paliwo 124, na przykład metanol i wodę, dostarczane przez pompę 126 i wytwarza z paliwa 124 paliwo gazowe zawierające wodór w wyniku reakcji reformingu parowego metanolu. Ogniwa paliwowe 136 odbierają strumienie wytwarzanego paliwa gazowego i powietrze 130 oraz wytwarzają siłę elektromotoryczną w wyniku reakcji elektrochemicznych paliwa gazowego i powietrza 130. Energia elektryczna wytwarzana przez ogniwa paliwowe 136 i energia elektryczna z wyjścia baterii 140, która jest połączona równolegle z ogniwami paliwowymi 136, są dostarczane do inwertera 144 dla zasilania silnika 146 i otrzymywania siły napędowej pojazdu elektrycznego.

Układ sterowania 120 oblicza wymaganą moc elektryczną inwertera 144 na podstawie przesunięcia pedału przyspieszenia pojazdu elektrycznego, mierzonego przez czujnik 122 położenia pedału przyspieszenia i reguluje inwerter 144 w oparciu o obliczoną moc elektryczną na wyjściu. Taka regulacja powoduje dostarczanie energii elektrycznej, odpowiadającej wymaganej mocy elektrycznej na wyjściu, do silnika 146 przez inwerter 144.

Ogniwa paliwowe 136 dają na wyjściu moc elektryczną do pokrycia wymaganej mocy elektrycznej inwertera 144. Gdy moc elektryczna na wyjściu ogniw paliwowych 136 jest niewystarczająca dla wymaganej mocy elektrycznej na wyjściu, bateria 140 dostarcza energię elektryczną do inwertera 144 dla kompensacji. Wyjściowa moc elektryczna ogniw paliwowych 136 zgodnie z tym zależy od wymaganej mocy elektrycznej na wyjściu inwertera 144.

W reakcji na wymaganą moc elektryczną na wyjściu inwertera 144, ogniwa paliwowe 136 nie mogą dawać na wyjściu wymaganej mocy elektrycznej w przypadku, gdy paliwo gazowe dostarczane z reaktora 128 do reformingu do ogniw paliwowych 136 nie wystarcza do dostarczania wymaganej mocy elektrycznej. Mianowicie moc elektryczna na wyjściu ogniw paliwowych 136 zależy także od ilości paliwa gazowego, to jest natężenia przepływu gazu dostarczanego do ogniw paliwowych 136.

Układ sterowania 120 napędza pompę 126 w oparciu o wymaganą moc elektryczną na wyjściu inwertera 144 i reguluje ilości paliwa 124 dostarczanego do reaktora 128 do reformingu w celu regulacji ilości paliwa gazowego dostarczanego do ogniw paliwowych 136 zgodnie z wymaganą mocą elektryczną na wyjściu inwertera 144.

Ilość paliwa gazowego, wytwarzanego przez reaktor 128 do reformingu, nie zwiększa się lub zmniejsza się natychmiast wraz ze wzrostem lub spadkiem dostarczanych ilości paliwa 124, lecz zwiększa się lub zmniejsza się po opóźnieniu od 2 do 20 sekund. Ilość paliwa gazowego wymaganego dla ogniw paliwowych 136 jest więc nie zawsze identyczna z rzeczywistym dostarczaniem paliwa gazowego czyli natężeniem przepływu gazu do ogniw paliwowych 136.

W znanym układzie ogniw paliwowych 136 wyjściowa moc elektryczna ogniw paliwowych 136 zależy od wymaganej mocy elektrycznej na wyjściu inwertera i od ilości paliwa gazowego czyli natężenia przepływu gazu dostarczanego do ogniw paliwowych. Punkt pracy ogniw paliwowych 136 zmienia się więc wraz ze zmianami wymaganej mocy elektrycznej na wyjściu inwertera i natężenia przepływu gazu.

Figura 6 przedstawia charakterystykę zmiany wydajności wytwarzania mocy w funkcji wyjściowej mocy elektrycznej w zwykłych ogniwach paliwowych 136 wraz ze zmianą ilości paliwa gazowego czyli natężenia przepływu gazu dostarczanego do ogniw paliwowych jako parametr.

Figura 7 przedstawia charakterystykę zmiany wyjściowej mocy elektrycznej w funkcji wymaganej ilości paliwa gazowego w zwykłych ogniwach paliwowych.

W znanym układzie ogniw paliwowych, mającym charakterystykę z fig. 6, chociaż ogniwa paliwowe 136 są zdolne do pobudzenia w punkcie pracy a o dużej wydajności wytwarzania mocy, mogą być one pobudzane na przykład w punkcie pracy b o małej wydajności wytwarzania mocy, jeżeli rzeczywisty punkt pracy zmienia się wraz ze zmianą natężenia przepływu gazu.

W znanym układzie ogniw paliwowych, mającym charakterystykę z fig. 7, nawet gdy wystarczająca ilość Qc paliwa gazowego jest dostarczana z reaktora do reformingu do ogniw paliwowych dla

PL 192 917 B1 wytwarzania wyjściowej mocy elektrycznej Wc, ogniwa paliwowe mogą być pobudzane na przykład w punkcie pracy d dla wytwarzania tylko wyjściowej mocy elektrycznej Wd, jeżeli rzeczywisty punkt pracy zmienia się wraz ze zmianą wymaganej mocy elektrycznej na wyjściu inwertera. W tym przypadku ilość paliwa gazowego wymaganego do wytwarzania wyjściowej mocy elektrycznej Wd jest równa tylko ilości Qd, a marnowana ilość paliwa gazowego jest równa ilości Qc-Qd. To zmniejsza współczynnik wykorzystania paliwa gazowego.

W znanym układzie ogniw paliwowych punkt pracy ogniw paliwowych zmienia się wraz ze zmianami wymaganej mocy elektrycznej na wyjściu inwertera i natężenia przepływu gazu, więc ogniwa paliwowe nie są zawsze pobudzane w punkcie pracy o dużej wydajności wytwarzania mocy lub w punkcie pracy o dużym współczynniku wykorzystania.

Wydajność wytwarzania mocy i współczynnik wykorzystania gazu zachowują taki związek, że jest trudno zwiększyć zarówno wydajność wytwarzania mocy jak i współczynnik wykorzystania gazu. Zwiększenie do maksimum iloczynu wydajności wytwarzania mocy i współczynnika wykorzystania gazu powoduje zwiększenie zarówno wydajności wytwarzania mocy, jak i współczynnika wykorzystania gazu, na ile jest to możliwe. Iloczyn wydajności wytwarzania mocy i współczynnika wykorzystania gazu jest wyrażony jako współczynnik przemiany energii ogniw paliwowych.

Sposób według wynalazku charakteryzuje się tym, że określa się punkt pracy związany z charakterystyką prądu elektrycznego wyjściowego w funkcji napięcia wyjściowego dla ogniw paliwowych, odpowiadającą obserwowanej wielkości związanej z natężeniem przepływu gazu i reguluje się moc elektryczną pobieraną z ogniw paliwowych, przez co pobudza się ogniwa paliwowe w określonym punkcie pracy.

Korzystnie przed pomiarem wielkości związanej z natężeniem przepływu gazu i określaniem punktu pracy, gromadzi się energię elektryczną w baterii akumulatorowej i podaje się na wyjściu zgromadzoną energię elektryczną, przez co dostarcza co najmniej jedną moc, spośród mocy elektrycznej wytwarzanej przez ogniwa paliwowe i mocy elektrycznej na wyjściu baterii akumulatorowej, do obciążenia i określa się wielkość mocy elektrycznej pobieranej z ogniw paliwowych, wymaganej do pobudzenia ogniw paliwowych w określonym punkcie pracy, jak również wielkość mocy elektrycznej dostarczanej do obciążenia i reguluje się co najmniej jedną moc, spośród mocy elektrycznej na wyjściu baterii akumulatorowej i mocy elektrycznej gromadzonej w baterii akumulatorowej, w oparciu o dwie wielkości mocy elektrycznej tak określonej.

Korzystnie mierzy się stan naładowania baterii akumulatorowej i reguluje się co najmniej jedną moc, spośród mocy elektrycznej na wyjściu baterii akumulatorowej i mocy elektrycznej gromadzonej w baterii akumulatorowej, w oparciu o zmierzony stan naładowania, w uzupełnieniu do dwóch wielkości określanej mocy elektrycznej.

Korzystnie podczas określania punktu pracy określa się punkt o największej wydajności przemiany energii na charakterystyce prądu elektrycznego wyjściowego w funkcji napięcia wyjściowego.

Zaletą wynalazku jest zapewnienie sposobu sterowania ogniwami paliwowymi ze zwiększoną wydajnością przemiany energii. Wynalazek umożliwia pobudzenie ogniw paliwowych w punkcie pracy o największej wydajności przemiany energii, zwiększając przez to zarówno wydajność wytwarzania mocy, jak i współczynnik wykorzystania gazu ogniw paliwowych. Technika wynalazku jest wykorzystywana przez pojazd elektryczny, który ma silnik jako obciążenie odbierające zasilanie energią elektryczną z ogniw paliwowych ze zwiększoną wydajnością przemiany energii pojazdu elektrycznego.

Przedmiot wynalazku jest pokazany w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia konstrukcję układu ogniw paliwowych w jednym przykładzie wykonania wynalazku, fig. 2 sieć działań procedury przetwarzania wykonywanej przez układ ogniw paliwowych z fig. 1, fig. 3 - charakterystykę zmiany prądu elektrycznego wyjściowego w funkcji napięcia wyjściowego wraz ze zmianą natężenia przepływu gazu jako parametrem ogniw paliwowych z fig. 1, fig. 4 - charakterystykę zmiany prądu elektrycznego wyjściowego w funkcji napięcia wyjściowego wraz ze zmianą SOC jako parametrem baterii z fig. 1, fig. 5 - konstrukcję znanego układu ogniw paliwowych, fig. 6 - charakterystykę zmiany wydajności wytwarzania mocy w funkcji mocy elektrycznej wyjściowej w zwykłych ogniwach paliwowych wraz ze zmianą ilości paliwa gazowego czy natężenia przepływu gazu dostarczanego do ogniw paliwowych jako parametrem i fig. 7 - charakterystykę zmiany mocy elektrycznej wyjściowej w funkcji wymaganej ilości paliwa gazowego w zwykłych ogniwach paliwowych.

Figura 1 przedstawia jako przykład wykonania wynalazku konstrukcję układu ogniw paliwowych w jednym przykładzie wykonania wynalazku. Układ ogniw paliwowych według wynalazku jest zamontowany na pojeździe elektrycznym.

PL 192 917 B1

Następujące opisuje konstrukcję układu ogniw paliwowych, pokazaną na fig. 1 i jego ogólne działania. Układ ogniw paliwowych na fig. 1 zawiera układ sterowania 20, czujnik położenia 22 pedału przyspieszenia, pompę 26, reaktor do reformowania 28, czujniki przepływu 32 i 34, ogniwa paliwowe 36, przetwornik prądu stałego w prąd stały 38, baterię 40, czujnik SOC 42 i inwerter 44 oraz silnik 46 jako główne składniki.

Pompa 26 jest sterowana w odpowiedzi na wyjściowy sygnał sterujący z układu sterowania 20 dla dostarczania paliwa 24, na przykład metanolu i wody, do reaktora do reformowania 28.

Reaktor do reformowania 28 wytwarza gaz wzbogacony w wodór (gaz reformowany) zawierający wodór z zasilaczy wody i metanolu, dostarczany jako paliwo 24 w wyniku reakcji reformingu parowego metanolu, wyrażonego przez równanie (l):

CH3OH + H2O ® 3H2 + CO2 (1)

Ogniwa paliwowe 36 odbierają gaz wzbogacony w wodór, dostarczany z reaktora do reformowania 28 jako paliwo gazowe i dostarczają powietrze 30 jako gaz utleniający zawierający tlen oraz wytwarzają energię elektryczną w wyniku reakcji elektrochemicznych wyrażonych równaniami (2) do (4):

H₂ ® 2H+ + 2e (2)

2H+ + 2e + ⁽1/2)O₂ ® H₂O (g)

H2 + (1/2)O₂ ® H₂O (4)

W tym przykładzie wykonania ogniwa paliwowe 36 są ogniwami paliwowymi z elektrolitem polimerowym i mają konstrukcję w postaci stosu, otrzymywana przez ułożenie wielu ogniw elementarnych (nie pokazanych) jedno na drugim, gdzie każde ogniwo elementarne zawiera przeponę dla elektrolitu, anodę, katodę i parę separatorów. Dostarczany gaz wzbogacony w wodór jest doprowadzany do anody każdego ogniwa elementarnego przez przewód przepływowy paliwa gazowego (nie pokazany) poddawany reakcji wyrażonej przez równanie (2). Dostarczane powietrze jest doprowadzane do katody każdego ogniwa elementarnego przez przewód przepływowy gazu utleniającego (nie pokazany), dla poddania go reakcji wyrażonej przez równanie (3). Równanie (4) pokazuje całkowitą reakcję następującą w ogniwach paliwowych.

Czujnik przepływu 32 mierzy natężenie przepływu gazu wzbogaconego w wodór, płynącego przez przewód zasilania gazu wzbogaconego w wodór do ogniw paliwowych 36, podczas gdy czujnik przepływu 34 mierzy natężenie przepływu powietrza płynącego przez przewód zasilania powietrza do ogniw paliwowych 36. Wyniki pomiarów są odpowiednio przesyłane do układu sterowania 20. Czujniki przepływu 32 i 34 nie są wymagane do bezpośredniego pomiaru natężeń przepływu gazu wzbogaconego w wodór i powietrza, lecz mogą mierzyć dowolne wielkości związane z natężeniami przepływu gazu wzbogaconego w wodór i powietrza.

Bateria 40 i inwerter 44 są połączone równolegle z ogniwami paliwowymi 36 przez przetwornik prądu stałego w prąd stały 38. Energia elektryczna wytwarzana przez ogniwa paliwowe 36 jest dostarczana do inwertera 44 przez przetwornik prądu stałego w prąd stały 38 a także do baterii 40 zgodnie z wymaganiami.

Przetwornik prądu stałego w prąd stały 38 powoduje wzrost lub spadek napięcia na wyjściu ogniw paliwowych 36 i dostarcza zmienione napięcie równolegle do inwertera 44 i baterii 40 przez diodę 39. Przetwornik prądu stałego w prąd stały 38 reguluje zwiększone lub zmniejszone napięcie w odpowiedzi na sygnał sterujący z układu sterowania 20.

Dioda 39 powoduje przepływ prądu elektrycznego tylko w jednym kierunku z przetwornika prądu stałego w prąd stały 38 do inwertera 44 lub baterii 40.

Bateria 40 gromadzi energię elektryczną dostarczaną z ogniw paliwowych 36 i energię elektryczną regenerowaną przez silnik 46 poprzez inwerter 44 zgodnie z wymaganiami i dostarcza gromadzoną energię elektryczną do inwertera 44. W tym przykładzie wykonania jako bateria akumulatorowa 40 jest zastosowany akumulator ołowiowy. Występują różne inne stosowane baterie akumulatorowe, takie jak akumulatory niklowo-kadmowe, akumulatory niklowo-wodorowe i akumulatory litowe. Bateria akumulatorowa 40 ma pojemność, która zależy od oczekiwanego stanu zasilania pojazdu elektrycznego, to jest oczekiwanej wielkości obciążenia, i pojemności ogniw paliwowych 36.

Czujnik SOC 42 mierzy stan naładowania (SOC) baterii akumulatorowej 40 i przekazuje wyniki pomiarów do układu sterowania 20. W konkretnym przykładzie czujnik SOC 62 zawiera miernik SOC, który gromadzi iloczyny wartości prądu elektrycznego ładowania i rozładowania oraz czasu w baterii akumulatorowej 40. Układ sterowania 20 oblicza stan naładowania baterii akumulatorowej 60 w oparciu o wartość zbiorczą. Czujnik SOC 42 może stanowić czujnik napięcia, który mierzy napięcie wyjściowe baterii akumulatorowej 40 lub specyficzny czujnik ciężaru właściwego, który mierzy ciężar właPL 192 917 B1 ściwy roztworu elektrolitu w baterii akumulatorowej 40, zamiast miernika SOC. W takich przypadkach układ sterowania 20 oblicza stan naładowania baterii akumulatorowej 40 na podstawie odpowiednich obserwowanych wartości.

Inwerter 44 zasila silnik 46 energią elektryczną dostarczaną z ogniw paliwowych 36 i baterii 40. Konkretniej, inwerter 44 przetwarza napięcie stałe dostarczane z przetwornika prądu stałego w prąd stały 38 lub baterii akumulatorowej 40 na trójfazowe napięcia przemienne i dostarcza przetworzone trójfazowe napięcia przemienne do silnika 46. Inwerter 44 reguluje amplitudę (dokładniej szerokość impulsu) i częstotliwość trójfazowych napięć przemiennych, dostarczanych do silnika 46 w odpowiedzi na sygnał sterujący z wyjścia układu sterowania 20, tak żeby regulować moment obrotowy wytwarzany przez silnik 46.

Inwerter 44 rzeczywiście zawiera sześć elementów przełączających (na przykład tranzystorów bipolarnych polowych z izolowaną elektrodą sterującą MOS FET) jako główne elementy układowe. Operacje przełączania tych elementów przełączających są regulowane w odpowiedzi na sygnał sterujący z układu sterowania 20, tak żeby przetwarzać dostarczane napięcie stałe na trójfazowe napięcia przemienne o wymaganej amplitudzie i częstotliwości.

Silnik 46 jest skonstruowany na przykład jako trójfazowy silnik synchroniczny i jest napędzany przez energię elektryczną dostarczaną z ogniw paliwowych 36, a silnik 46 poprzez inwerter 44 dostarcza moment obrotowy dla wału napędowego (nie pokazanego). Wytwarzany moment obrotowy jest przekazywany na oś (nie pokazaną) pojazdu elektrycznego przez jednostkę zębatą (nie pokazaną) dla przyłożenia obrotowej siły napędowej do kół. Pojazd elektryczny zgodnie z tym odbiera siłę napędową do uruchamiania.

Czujnik położenia 22 pedału przyspieszenia mierzy przesunięcie pedału przyspieszenia pojazdu elektrycznego i przesyła wyniki pomiarów do układu sterowania 20.

Układ sterowania 20 zawiera jednostkę centralną 20a, pamięć ROM 20b, pamięć RAM 20c i port wejścia-wyjścia 20d. Jednostka centralna 20a przeprowadza wymagane operacje zgodnie z programami sterowania dla osiągnięcia szeregu etapów przetwarzania i sterowania. Programy sterowania, dane sterowania stosowane w czasie wykonywania operacji, dane reprezentujące charakterystykę prądu elektrycznego wyjściowego w funkcji napięcia wyjściowego przy poszczególnych natężeniach przepływu gazu dostarczanego do ogniw paliwowych 36 jako parametrze oraz dane reprezentujące charakterystykę prądu elektrycznego wyjściowego w funkcji napięcia wyjściowego przy poszczególnych stanach naładowania (SOC) baterii 40 jako parametrze, z których dwie ostatnie będą omówione dalej, są zapamiętane z góry w pamięci ROM 20b. Różne dane otrzymywane podczas wykonywania operacji są czasowo pamiętane w pamięci RAM 20c. Port wejścia-wyjścia 20d ma na wejściu wyniki pomiarów przesyłane z różnych czujników dla podania danych wejściowych dla jednostki centralnej 20a i podania na wyjściu sygnałów sterujących dla poszczególnych elementów w odpowiedzi na instrukcje z jednostki centralnej 20a.

Szereg przetwarzania wykonywanego w układzie ogniw paliwowych przykładu wykonania jest opisany szczegółowo względem sieci działań na fig. 2.

Figura 2 przedstawia sieć działań pokazującą procedurę przetwarzania wykonywaną w układzie ogniw paliwowych z fig. 1. Gdy program wchodzi do procedury z fig. 2, układ sterowania 20 najpierw odbiera przesunięcie pedału przyspieszenia, mierzone przez czujnik położenia 22 pedału przyspieszenia (etap S10). Ten etap powoduje, że układ sterowania 20 wykrywa wymagania kierowcy, to jest ile energii elektrycznej ma być dostarczane do silnika 46 przez inwerter 44 dla napędzania pojazdu elektrycznego. Układ sterowania 20 następnie oblicza energię elektryczna dostarczaną do inwertera 44 (to jest wymaganą moc wyjściową inwertera 44) na podstawie wejściowego przesunięcia pedału przyspieszenia (etap S12).

Układ sterowania 20 wprowadza także natężenie przepływu gazu wzbogaconego w wodór lub paliwa gazowego mierzonego przez czujnik przepływu 32 jako natężenie przepływu gazu (etap S14). Utrzymywany jest stały związek pomiędzy ilościami wodoru i tlenu, które są poddawane reakcjom elektrochemicznym, jak pokazane w równaniu (4). Układ sterowania 20 może być zgodnie z tym wprowadzać natężenie przepływu powietrza lub gazu utleniającego mierzone przez czujnik przepływu 4 jako natężenie przepływu gazu, zamiast natężenia przepływu gazu wzbogaconego w wodór lub paliwa gazowego. Układ sterowania 20 może naprzemiennie wprowadzać zarówno natężenia przepływu gazu wzbogaconego w wodór i powietrza.

Jak wzmiankowano poprzednio, dane reprezentujące charakterystyki prądu elektrycznego wyjściowego w funkcji napięcia wyjściowego przy poszczególnych natężeniach przepływu gazu jako parametrze w ogniwach paliwowych 36 są pamiętane w pamięci ROM 20b zawartej w układzie sterowania 20.

PL 192 917 B1

Figura 3 przedstawia krzywą charakterystyczną pokazującą zmiany charakterystyki prądu elektrycznego wyjściowego w funkcji napięcia wyjściowego wraz ze zmianami natężenia przepływu gazu jako parametrem w ogniwach paliwowych 36 pokazanych na fig. 1. Na krzywej z fig. 3 napięcie wyjściowe ogniw paliwowych 36 jest naniesione na rzędną i prąd elektryczny wyjściowy na odciętą.

Jak pokazano na fig. 3, charakterystyka prądu elektrycznego wyjściowego w funkcji napięcia wyjściowego ogniw paliwowych 36 jest zmieniana wraz ze zmianą natężenia przepływu paliwa gazowego wpływającego do ogniw paliwowych 36 (natężenie przepływu gazu). Proces określający natężenie przepływu gazu niedwuznacznie określa charakterystykę prądu elektrycznego wyjściowego w funkcji napięcia wyjściowego, odpowiadającą szczególnemu natężeniu przepływu gazu. Na krzywej z fig. 3 charakterystyka zmienia się wraz z F1, F2, F3 do F4 kolejnych natężeń przepływu gazu.

Charakterystyki prądu elektrycznego wyjściowego w funkcji napięcia wyjściowego przy poszczególnych natężeniach przepływu gazu są pamiętane w pamięci ROM 20b. Układ sterowania 20 odczytuje charakterystykę prądu elektrycznego wyjściowego w funkcji napięcia wyjściowego, odpowiadającą natężeniu przepływu gazu wejściowego, z pamięci ROM 20b w układzie sterowania 20. Układ sterowania 20 następnie oblicza punkt o największej wydajności przemiany energii ogniw paliwowych 26 z odczytu charakterystyki prądu elektrycznego wyjściowego w funkcji napięcia wyjściowego (etap S16).

Wydajność przemiany energii ogniw paliwowych 36 jest otrzymywana jako iloczyn wydajności wytwarzania mocy i współczynnika wykorzystania gazu (wydajność wytwarzania mocy x współczynnik wykorzystania gazu) ogniw paliwowych 36. Jak ogólnie wiadomo, w ogniwach paliwowych wydajność wytwarzania mocy jest proporcjonalna do napięcia wyjściowego i wymagana ilość paliwa gazowego jest proporcjonalna do prądu elektrycznego wyjściowego. Iloczyn wydajności wytwarzania mocy i współczynnika wykorzystania gazu ogniw paliwowych jest więc zastępowany przez iloczyn napięcia wyjściowego i prądu elektrycznego wyjściowego. Innymi słowy, wydajność przemiany energii ogniw paliwowych jest wyrażana jako iloczyn napięcia wyjściowego i prądu elektrycznego wyjściowego (napięcie wyjściowe x prąd elektryczny wyjściowy) ogniw paliwowych.

Gdy charakterystyczna krzywa F2 pokazana na fig. 3 jest odczytywana jako charakterystyka prądu elektrycznego wyjściowego w funkcji napięcia wyjściowego, odpowiadająca na przykład obserwowanemu natężeniu przepływu gazu, układ sterowania 20 oblicza punkt Pm maksymalnego iloczynu napięcia wyjściowego i prądu elektrycznego wyjściowego przy odczycie krzywej F2 charakterystyki prądu elektrycznego wyjściowego w funkcji napięcia wyjściowego i określa punkt Pm jako punkt o największej wydajności przemiany energii.

Iloczyn napięcia wyjściowego i prądu elektrycznego wyjściowego ogniw paliwowych odpowiada mocy elektrycznej wyjściowej ogniw paliwowych. Punkt o największej mocy elektrycznej wyjściowej ogniw paliwowych jest równoważny punktowi o największej wydajności przemiany energii.

Po obliczeniu punktu o największej wydajności przemiany energii, układ sterowania 20 określa obliczony punkt jako punkt pracy ogniw paliwowych (etap S18) i ocenia wyjściową moc elektryczną ogniw paliwowych 36, które są pobudzane w określonym punkcie pracy (etap S20).

Układ sterowania 20 może przeprowadzić przetwarzanie w etapach S10 i S12 równocześnie z przetwarzaniem w etapach S14 do S20 lub może inaczej rozpocząć inny szereg przetwarzania po zakończeniu jednego szeregu przetwarzania.

Układ sterowania 20 następnie odejmuje wyjściową moc elektryczną ogniw paliwowych 36, oceniana w etapie S20, od wymaganej mocy wyjściowej inwertera 44, obliczanej w etapie S12 dla określenia różnicy (etap S22). Gdy różnica nie jest mniejsza niż zero, program przechodzi do przetwarzania w etapie S24 i dalej. Gdy różnica jest mniejsza niż zero, z drugiej strony, program przechodzi do przetwarzania w etapie S32 i dalej. W stanie, w którym różnica nie jest mniejsza niż zero, wymagana moc wyjściowa inwertera 44 nie jest dostarczana wystarczająco przez wyjściową moc elektryczną ogniw paliwowych 36. W stanie, w którym różnica jest mniejsza niż zero, wyjściowa moc elektryczna ogniw paliwowych 36 jest w nadmiarze po dostarczeniu do inwertera 44.

W przypadku, gdy różnica nie jest mniejsza niż zero, układ sterowania 20 najpierw wprowadza stan naładowania (SOC) baterii 40, mierzony przez czujnik SOC 42 (etap S24).

Jak opisano poprzednio, dane reprezentujące charakterystyki prądu elektrycznego wyjściowego w funkcji napięcia wyjściowego przy poszczególnych SOC jako parametrze w baterii 40 są pamiętane w pamięci ROM 20b zawartej w układzie sterowania 20.

Figura 4 przedstawia krzywą charakterystyczną pokazującą zmiany charakterystyki prądu elektrycznego wyjściowego w funkcji napięcia wyjściowego wraz ze zmiana SOC jako parametrem baterii 40

PL 192 917 B1 pokazanej na fig. 1. Na krzywej z fig. 4 napięcie wyjściowe ogniw paliwowych 36 jest naniesione na rzędnej i prąd elektryczny wyjściowy jest naniesiony na odciętej.

Jak pokazano na fig. 4, charakterystyka prądu elektrycznego wyjściowego w funkcji napięcia wyjściowego ogniw paliwowych 36 jest zmienianą wraz ze zmianą SOC baterii 40. Proces określania SOC niedwuznacznie określą charakterystykę prądu elektrycznego wyjściowego w funkcji napięcia wyjściowego, odpowiadającą określonemu SOC. Na fig. 4 krzywa charakterystyczna zmienia się jako G1, G2,... do G5 dla kolejnych SOC. Charakterystyki prądu elektrycznego wyjściowego w funkcji napięcia wyjściowego przy poszczególnych SOC są pamiętane w pamięci ROM 20b.

Układ sterowania 20 odczytuje charakterystykę prądu elektrycznego wyjściowego w funkcji napięcia wyjściowego, odpowiadającą wejściowemu SOC z pamięci ROM 20. Układ sterowania 20 następnie określa napięcie wyjściowe wymagane dla baterii 40 na podstawie różnicy pomiędzy wymaganą mocą wyjściową inwertera 44 i mocą elektryczna wyjściową ogniw paliwowych 36, otrzymywaną w etapie S22, w oparciu o odczyt charakterystyki prądu elektrycznego wyjściowego w funkcji napięcia wyjściowego (etap S26).

W konkretnym przykładzie, gdy krzywa charakterystyczna G3 pokazana na fig. 4 jest odczytywana jako charakterystyka prądu elektrycznego wyjściowego w funkcji napięcia wyjściowego, odpowiadająca obserwowanemu SOC, układ sterowania 20 oblicza punkt, w którym iloczyn napięcia wyjściowego i prądu elektrycznego wyjściowego (to jest moc elektryczna wyjściowa baterii 40) jest zasadniczo równa różnicy pomiędzy wymaganą mocą wyjściową inwertera 44 i mocą elektryczną wyjściową ogniw paliwowych 36 przy odczycie krzywej G3 charakterystyki prądu elektrycznego wyjściowego w funkcji napięcia wyjściowego. Tutaj zakłada się, że obliczony punkt jest Pn pokazany na fig. 4. Napięcie wyjściowe Vn baterii 40 w obliczonym punkcie Pn jest następnie określane jako napięcie wyjściowe wymagane dla baterii 40.

Układ sterowania 20 następnie steruje przetwornikiem prądu stałego w prąd stały 38 i skutkiem tego reguluje napięcie wyjściowe przetwornika prądu stałego w prąd stały 38 na napięcie wyjściowe określone w etapie S26 (etap S28). Napięcie wyjściowe przetwornika prądu stałego w prąd stały 38 jest dostarczane odpowiednio do baterii 40 i inwertera 44. Regulacja napięcia wyjściowego przetwornika prądu stałego w prąd stały 38 w ten sposób powoduje, że napięcie wyjściowe baterii 40 jest równe napięciu wyjściowemu określonemu w etapie S26. Regulacja powoduje, że moc elektryczna odpowiadająca różnicy pomiędzy wymagana mocą wyjściowa inwertera 4 i mocą elektryczną wyjściową ogniw paliwowych 36, otrzymana w etapie S22, są wyprowadzane z wyjścia baterii 40 jako wyjściowa moc elektryczna.

Układ sterowania 20 następnie steruje inwerterem 44, żeby spowodować pobór przez silnik 46 poprzez inwerter 44 mocy elektrycznej odpowiadającej wymaganej mocy elektrycznej inwertera 44, obliczonej w etapie S12. Moc elektryczna wyjściowa baterii 40 jest zgodnie z tym dostarczana do inwertera 44 i niewystarczająca moc elektryczna (to jest różnica pomiędzy wymaganą mocą wyjściową inwertera 44 i mocą elektryczną wyjściową baterii 40) jest pobierana z ogniw paliwowych 36 i dostarczana do inwertera 44 (etap S30).

Układ sterowania 20 steruje przetwornikiem prądu stałego w prąd stały 38 i inwerterem 44 w powyższy sposób, żeby umożliwić pobór wyjściowej mocy elektrycznej, ocenianej w etapie S20, z ogniw paliwowych 36, które są pobudzane w punkcie pracy o największej wydajności przemiany energii.

W przypadku, gdy różnica pomiędzy wymaganą mocą wyjściową inwertera 44 i mocą elektryczną wyjściową ogniw paliwowych 36, otrzymaną w etapie S22 jest mniejsza niż zero, z drugiej strony, układ sterowania 20 daje na wejściu SOC baterii 40, mierzone przez czujnik SOC 42 (etap S32) w taki sam sposób, jak przetwarzanie w etapie S24 i określa, czy wejściowe SOC jest mniejsze niż 100% czy nie (etap S34). Gdy wejściowe SOC jest mniejsze niż 100%, program określa, że bateria 40 ma nadal margines gromadzenia dalszej energii elektrycznej i przechodzi do przetwarzania w etapie S36 i dalej. Gdy wejściowe SOC jest równe 100%, z drugiej strony, program określa, że bateria 40 nie ma jakiegokolwiek marginesu gromadzenia dalszej energii elektrycznej i przechodzi do przetwarzania w etapie S42 i dalej.

W przypadku, gdy wejściowe SOC jest mniejsze niż 100% w taki sam sposób, jak przetwarzanie w etapie S26, układ sterowania 20 odczytuje charakterystykę prądu elektrycznego wyjściowego w funkcji napięcia wyjściowego, odpowiadającą wejściowemu SOC, i określa napięcie wyjściowe wymagane dla baterii 40 na podstawie różnicy pomiędzy wymaganą mocą wyjściową inwertera 44 i mocą elektryczną wyjściową ogniw paliwowych 36, otrzymaną w etapie S22, w oparciu o odczyt charakterystyki prądu elektrycznego wyjściowego w funkcji napięcia wyjściowego (etap S36).

PL 192 917 B1

W konkretnym przykładzie, jak opisany powyżej, gdy krzywa charakterystyczna G3 jest odczytywana jako charakterystyka prądu elektrycznego wyjściowego w funkcji napięcia wyjściowego, odpowiadająca wejściowemu SOC, układ sterowania 20 oblicza punkt, w którym iloczyn napięcia wyjściowego i prądu elektrycznego wyjściowego jest zasadniczo równy różnicy pomiędzy wymaganą mocą wyjściową inwertera 44 i mocą elektryczną wyjściową ogniw paliwowych 36 przy odczycie krzywej G3 charakterystyki prądu elektrycznego wyjściowego w funkcji napięcia wyjściowego. Odmiennie niż przetwarzanie w etapie S26, ponieważ różnica pomiędzy wymaganą mocą wyjściowa inwertera 44 i mocą elektryczną wyjściową ogniw paliwowych 36 jest mniejsza niż zero (to jest ujemna), przetwarzanie w etapie S36 daje obliczenie punktu, w którym iloczyn napięcia wyjściowego i prądu elektrycznego wyjściowego (to jest moc elektryczna wyjściowa baterii 40) jest ujemna. Wyrażenie, że moc elektryczna wyjściowa baterii 40 jest ujemna oznacza, że w baterii 40 jest gromadzona energia elektryczna. Jak pokazano na fig. 4, napięcie wyjściowe baterii 40 nie przyjmuje jakichkolwiek ujemnych wartości, tak że przetwarzanie daje obliczenie punktu dla ujemnego prądu elektrycznego wyjściowego.

Zakłada się tutaj, że obliczony punkt jest Pr pokazany na fig. 4. Napięcie wyjściowe Vr baterii 40 w obliczonym punkcie Pr jest następnie określane jako napięcie wyjściowe wymagane dla baterii 40.

Układ sterowania 20 następnie steruje przetwornikiem prądu stałego w prąd stały 38 i przez to reguluje napięcie wyjściowe przetwornika prądu stałego w prąd stały 38 na napięcie wyjściowe określane w etapie S36 (etap S38). Taka regulacja powoduje, że napięcie wyjściowe baterii 40 jest równe napięciu wyjściowemu określonemu w etapie S26 i w baterii 40 jest gromadzona energia elektryczna. Mianowicie ten proces sterowania powoduje, że moc elektryczna jest pobierana z ogniw paliwowych 36 i umożliwia gromadzenie w baterii 40 energii elektrycznej, odpowiadającej wartości bezwzględnej różnicy pomiędzy wymaganą mocą wyjściową inwertera 44 i mocą elektryczną wyjściową ogniw paliwowych 36, otrzymaną w etapie S22, z całkowitej wyjściowej mocy elektrycznej.

Układ sterowania 20 następnie steruje inwertorem 44, żeby powodować pobór przez silnik 46 poprzez inwerter 44 mocy elektrycznej odpowiadającej wymaganej mocy wyjściowej inwertera 44, obliczanej w etapie S12. Moc elektryczną, odpowiadającą obliczonej, wymaganej mocy wyjściowej inwertera 44 (to jest resztkowej mocy elektrycznej, która nie została zgromadzona w baterii 40) z całkowitej mocy elektrycznej pobranej z ogniw paliwowych 36, jest zgodnie z tym dostarczana do inwerterą 44 i pobierana przez silnik 46 (etap S40).

Układ sterowania 20 steruje przetwornikiem prądu stałego w prąd stały 38 i inwerterem 44 w powyższy sposób, żeby umożliwić pobranie wyjściowej mocy elektrycznej, ocenianej w etapie S20, z ogniw paliwowych 36, które są pobudzane w punkcie pracy o największej wydajności przemiany energii.

W przypadku, gdy wejściowe SOC jest równe 100%, z drugiej strony, układ sterowania 20 odczytuje charakterystykę prądu elektrycznego wyjściowego w funkcji napięcia wyjściowego, odpowiadającą SOC=100% i określa napięcie wyjściowe wymagane dla baterii 40 w przypadku, gdy moc elektryczna wyjściowa baterii 40 jest równa zero, w oparciu o odczytaną charakterystykę prądu elektrycznego wyjściowego w funkcji napięcia wyjściowego (etap S42).

W przykładzie z fig. 4 krzywa charakterystyczna G5 reprezentuje charakterystykę prądu elektrycznego wyjściowego w funkcji napięcia wyjściowego, odpowiadającą SOC=100% i jest tutaj odczytywana. Układ sterowania 20 zgodnie z tym oblicza punkt, w którym moc elektryczna wyjściowa baterii 40 (to jest iloczyn napięcia wyjściowego i prądu elektrycznego wyjściowego) jest równa zero przy odczycie krzywej G5 charakterystyki prądu elektrycznego wyjściowego w funkcji napięcia wyjściowego. Jeżeli napięcie wyjściowe baterii 40 nie przyjmuje jakichkolwiek ujemnych wartości, jak pokazano na fig. 4, układ sterowania 20 oblicza punkt, w którym prąd elektryczny wyjściowy jest równy zero.

W przykładzie z fig. 4, w punkcie Ps, moc elektryczna wyjściowa baterii 40 jest równa zero. Napięcie wyjściowe Vs baterii 40 w punkcie Ps jest zgodnie z tym określone jako napięcie wyjściowe wymagane dla baterii 40.

Układ sterowania 20 następnie steruje przetwornikiem prądu stałego w prąd stały 38 i skutkiem tego reguluje napięcie wyjściowe przetwornika prądu stałego w prąd stały 38 na napięcie wyjściowe określone w etapie S42 (etap S44). Taka regulacja powoduje, że napięcie wyjściowe baterii 40 jest równe napięciu wyjściowemu określonemu w etapie S42. Moc elektryczna wyjściowa baterii 40 jest zgodnie z tym równa zero. Energia elektryczna nie jest ani wyprowadzana na wyjściu baterii 40 ani gromadzona w baterii 40.

Układ sterowania 20 następnie steruje inwerterem 44, tak że powoduje pobór przez silnik 44 poprzez inwerter 44 mocy elektrycznej odpowiadającej wymaganej mocy wyjściowej inwertera 44, obliczanej w etapie S12. Moc elektryczna odpowiadająca wymaganej mocy wyjściowej inwertera 44

PL 192 917 B1 jest zgodnie z tym pobierana z ogniw paliwowych 36 i jest dostarczana do inwertera 44 dla poboru przez silnika 46 bez gromadzenia energii w baterii 40 (etap S46).

W tym przypadku moc elektryczna pobierana z ogniw paliwowych 36 odpowiada wymaganej mocy wyjściowej inwertera 44 i może nie być zgodna z wyjściową mocą elektryczną oceniana w etapie S20. Istnieje zgodnie z tym niemałe prawdopodobieństwo, że ogniwa paliwowe 36 będą pobudzane w punkcie pracy innym niż punkt pracy określony w etapie S18.

Powyższy opis nie odnosi się szczególnie do procedury sterowania wykonywanej przez układ sterowania 20 dla sterowania pompa 26. Układ sterowania 20 steruje pompa 26 zgodnie z dowolną z następujących procedur dla regulacji ilości paliwa dostarczanego do reaktora do reformowania 28. Dla przykładu, układ sterowania 20 reguluje ilości paliwa dostarczanego do reaktora do reformowania 28 zgodnie ze średnią wartością rzeczywistej mocy elektrycznej wyjściowej inwertera 44 do silnika 46 w przeszłych kilku sekundach. W innych przykładach ilości paliwa są regulowane zgodnie z przesunięciem pedału przyspieszenia (to jest wymaganą mocą wyjściową inwertera 44) lub zgodnie z SOC baterii 40. Ilości paliwa mogą być regulowane przez ich kombinację. W innej procedurze steruje się pompą 26 dla prostego dostarczania stałych ilości paliwa do reaktora do reformowania 28.

Jak opisano powyżej, technika przykładu wykonania umożliwia pobudzenie ogniw paliwowych 36 w punkcie pracy o największej wydajności przemiany energii w przypadku innym niż działanie w etapie S46. Ten układ korzystnie powoduje zwiększenie wydajności przemiany energii ogniw paliwowych 36, a zatem zwiększa zarówno wydajność wytwarzania mocy jak i współczynnik wykorzystania gazu dla ogniw paliwowych, na ile jest to możliwe.

Wynalazek nie jest ograniczony do powyższego przykładu wykonania lub jego modyfikacji, lecz może być wiele innych modyfikacji, zmian i odmian bez oddalania się od zakresu lub istoty głównych cech wynalazku.

W układzie z opisanego powyżej przykładu wykonania, dane reprezentujące charakterystyki prądu elektrycznego wyjściowego w funkcji napięcia wyjściowego przy poszczególnych natężeniach przepływu gazu jako parametrze ogniw paliwowych 36 są pamiętane z góry w pamięci ROM 20b zawartej w układzie sterowania 20. Układ sterowania 20 odczytuje charakterystykę prądu elektrycznego wyjściowego w funkcji napięcia wyjściowego, odpowiadającą natężeniu przepływu gazu wejściowego i oblicza określony punkt o największej wydajności przemiany energii ogniw paliwowych 36 przy odczycie charakterystyki prądu elektrycznego wyjściowego w funkcji napięcia wyjściowego. Układ sterowania 20 następnie określa obliczony określony punkt jako punkt pracy ogniw paliwowych 36 i ocenia moc elektryczną wyjściową ogniw paliwowych 36, które są pobudzane w określonym punkcie pracy. Technika tego wynalazku nie jest jednak ograniczona do tego układu. Według jednego zmodyfikowanego układu, dane reprezentujące punkty o największej wydajności przemiany energii na charakterystykach prądu elektrycznego wyjściowego w funkcji napięcia wyjściowego, odpowiadających poszczególnym natężeniom przepływu gazu, są pamiętane z góry w pamięci ROM 20b zawartej w układzie sterowania 20. W tym przypadku układ sterowania 20 odczytuje punkt o największej wydajności przemiany energii, odpowiadający natężeniu przepływu gazu wejściowego, z pamięci ROM 20b w układzie sterowania 20. Zgodnie z innym zmodyfikowanym układem, dane reprezentujące moce elektryczne wyjściowe ogniw paliwowych 36, które są pobudzane w punktach pracy o największej wydajności przemiany energii, odpowiadających poszczególnym natężeniom przepływu gazu, są pamiętane z góry w pamięci ROM 20b zawartej w układzie sterowania 20. W tym przypadku układ sterowania 20 odczytuje moc elektryczną wyjściową ogniw paliwowych 36, odpowiadającą natężeniu przepływu gazu wejściowego, z pamięci ROM 20b w układzie sterowania 20.

Jak opisano powyżej, dane reprezentujące punkt o największej wydajności przemiany energii i dane reprezentujące moc elektryczną wyjściową ogniw paliwowych, które są pobudzane w punkcie pracy o największej wydajności przemiany energii, są pamiętane w pamięci ROM 20b zawartej w układzie sterowania 20. Ten układ korzystnie odciąża przetwarzanie wykonywane przez układ sterowania.

W przykładzie wykonania omówionym powyżej zasilanie metanolem i wodą jest dostarczane jako paliwo 24 do reaktora do reformowania 28. Technika wynalazku nie jest jednak ograniczona do tego paliwa, lecz metan, etanol, gaz ziemny, benzyna i olej lekki mogą zastąpić metanol.

Technika wynalazku nie jest ograniczona do pojazdów elektrycznych z zamontowanym na nich układem ogniw paliwowych, lecz znajduje zastosowanie przemysłowe do dowolnego innego środka transportu z zamontowanym na nim układem ogniw paliwowych, na przykład pojazdów mechanicznych, statków i samolotów oraz wyposażenia elektrycznego przemysłowego i domowego, którego dotyczy układ ogniw paliwowych.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób sterowania ogniwami paliwowymi, którezasilasię gazem i wytwarza się energię elektryczną, w którym to sposobie mierzy się wleikość związaną z natężeniem przepływu gazu dostarczanego do ogniw paliwowych, znamienny tym, że określa się punkt pracy związany z charakterystyką prądu elektrycznego wyjściowego w funkcji napięcia wyjściowego dia ogniw paliwowych, odpowiadającą obserwowanej wielkości związanej z natężeniem przepływu gazu i reguluje się moc elektryczną pobieraną z ogniw paliwowych, przez co pobudza się ogniwa paliwowe w określonym punkcie pracy.
2. Sposóbwedług z^^Sr^. 1, zi^^r^i^nn^ tym, żeprzed pomiaremwielkości związanej z natężeniem przepływu gazu i określaniem punktu pracy, gromadzi się energię elektryczną w baterii akumulatorowej i podaje się na wyjściu zgromadzoną energię elektryczną, przez co dostarcza co najmniej jedną moc, spośród mocy elektrycznej wytwarzanej przez ogniwa paliwowe i mocy elektrycznej na wyjściu baterii akumulatorowej, do obciążenia i określa się wielkość mocy elektrycznej pobieranej z ogniw paliwowych, wymaganej do pobudzenia ogniw paliwowych w określonym punkcie pracy, jak również wielkość mocy elektrycznej dostarczanej do obciążenia i reguluje się co najmniej jedną moc, spośród mocy elektrycznej na wyjściu baterii akumulatorowej i mocy elektrycznej gromadzonej w baterii akumulatorowej, w oparciu o dwie wielkości mocy elektrycznej tak określonej.
3. Sposóbwedługzastrz. 2, znamiennytym, że mierzysięstannaładowaniabaterii akumulatorowej i reguluje się co najmniej jedną moc, spośród mocy elektrycznej na wyjściu baterii akumulatorowej i mocy elektrycznej gromadzonej w baterii akumulatorowej, w oparciu o zmierzony stan naładowania, w uzupełnieniu do dwóch wielkości określanej mocy elektrycznej.
4. Sposób według zasSrz. 1 albo 2, t^i^, że podczas oł^i^e^l^r^i^ punku pracy oł^r^e^ śla się punkt o największej wydajności przemiany energii na charakterystyce prądu elektrycznego wyjściowego w funkcji napięcia wyjściowego.