(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＳＡに制御可能に接続された１つまたは複数の電気負荷（２０）に電力を供給する燃料電池スタック組立体（ＣＳＡ）（１２）を有するとともに、ＣＳＡの発電プロセスを行うための燃料反応物、酸化剤反応物、冷媒のそれぞれの供給源（２４）を有する、燃料電池を電源とするシステム（１０）の使用において、負荷過渡時に反応物の枯渇または不十分な冷却を最小限に抑えるかまたは除去する予測方法で、燃料電池を電源とするシステムを制御する方法であって、
（ａ）  １つまたは複数の電気負荷により必要とされる予測電流または予測電力を表す要求信号（Ｍld）を提供し、
（ｂ）  ＣＳＡに接続された１つまたは複数の電気負荷により受け取られる実際のそれぞれの電流または電力を表す負荷信号（Ｉap）を提供し、
（ｃ）  要求信号（Ｍld）および負荷信号（Ｉap）のより大きな方を選択（４６）するとともに、そこから、ＣＳＡの発電プロセスを行うように燃料反応物、酸化剤反応物および冷媒の供給のうちの１つまたは複数の供給を調整する制御信号（Ｍx）を、提供し、
（ｄ）  それぞれの調整された燃料反応物、酸化剤反応物および冷媒の供給のうちの１つまたは複数の供給の状態、または行われた発電プロセスの状態としてのＣＳＡの出力電圧、を示す１つまたは複数のプロセス状態信号（Ｘp、Ｘp'、Ｘp''、Ｖapなど）を提供（２４）し、
（ｅ）  １つまたは複数のプロセス状態信号（Ｘp、Ｘp'、Ｘp''、Ｖapなど）のそれぞれを、それぞれの前記１つまたは複数のプロセス状態信号（Ｘp、Ｘp'、Ｘp''、Ｖapなど）と負荷電流／電力値との間の相関関係の関数として、測定された発電能力に相当する同等の負荷電流／電力値を表す各負荷能力信号（６１、６１’、６１’’など）に変換（６０、６０’、６０’’）し、
（ｆ）  前記電気負荷（２０）を対応させて制御（３２）するための出力信号（Ｍi）を前記電気負荷（２０）用の制御器に提供するように前記要求信号（Ｍld）および前記それぞれの１つまたは複数の各負荷能力信号（６１、６１’、６１’’など）のより小さな方を選択（６２）する、
ステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
ステップ（ｃ）において、制御信号（Ｍx）を提供するステップは、選択された電流または電力に基づく信号を、負荷電流または負荷電力とそれぞれの前記調整される燃料反応物、酸化剤反応物および冷媒の供給のうちの１つまたは複数の供給との間の相関関係の関数（ｆR（Ｘ））としての公称設定値信号（５１）に、変換（５０）することを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
ステップ（ｃ）において、制御信号（Ｍx）を提供するステップは、選択されかつ変換された公称設定値信号（５１）を、行われた発電プロセスのフィードバックである１つまたは複数のプロセス状態信号（Ｘp、Ｘp’、Ｘp’’など）と比較（５２）して、誤差信号（５３）を提供すること、および、選択されかつ変換された公称設定値信号（５１）の関数に誤差信号（５３）の関数を加算（５６）することをさらに含むことを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項４】
１つまたは複数のプロセス状態信号（Ｘp、Ｘp'、Ｘp''など）を、各負荷能力信号（６１）に変換（６０）するステップに用いられる前記関数は、選択された電流または電力に基づく信号を公称設定値信号（５１）に変換（５０）するステップに用いられる関数（ｆR（Ｘ））の実質的に逆関数であることを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項５】
燃料電池を電源とする（１２）電気供給システム（１０）から１つまたは複数の負荷（２０）へ、負荷過渡時に反応物の枯渇を最小限に抑えるかまたは除去する予測方法で、電力を供給する制御システム（２４、２６、２８）であって、
（ａ）  燃料電池スタック組立体（ＣＳＡ）（１０）と、
（ｂ）  ＣＳＡに制御可能に接続された１つまたは複数の電気負荷（２０）と、
（ｃ）  ＣＳＡ（１０）に作動可能に接続され、１つまたは複数の制御信号に応答してＣＳＡ（１０）の発電プロセスを行うための燃料反応物、酸化剤反応物、冷媒のそれぞれの供給源（２４）と、
（ｄ）  制御システムと、
を備え、この（ｄ）の制御システムは、
（１）  １つまたは複数の電気負荷により必要とされる予測電流または予測電力を表す要求信号（Ｍld）を提供する装置（２８）と、
（２）  １つまたは複数の負荷（２４）により受け取られる実際の電流または電力を表す電流信号または電力信号（Ｉap）を提供する装置（３０）と、
（３）  要求信号（Ｍld）および電流信号（Ｉap）のより大きな方を選択するとともに、そこから、ＣＳＡの発電プロセスを行うように燃料反応物、酸化剤反応物および冷媒の供給のうちの１つまたは複数の供給を調整する制御信号（Ｍx）を、提供するコントローラ（２６）と、
（４）  それぞれの調整された燃料反応物、酸化剤反応物および冷媒の供給のうちの１つまたは複数の供給の状態、または行われた発電プロセスの状態としてのＣＳＡの出力電圧、を示す１つまたは複数のプロセス状態信号（Ｘp、Ｘp'、Ｘp''、Ｖapなど）を提供する装置（５７、３１）と、
（５）  １つまたは複数のプロセス状態信号（Ｘp、Ｘp'、Ｘp''、Ｖapなど）を、前記１つまたは複数のプロセス状態信号（Ｘp、Ｘp'、Ｘp''、Ｖapなど）と負荷電流／電力値との間の相関関係の関数として、測定された発電能力に相当する同等の負荷電流／電力値を表す各負荷能力信号（６１）に変換（６０、６０’、６０’’）するコントローラ（２６）と、
を備え、前記コントローラ（２６）は、さらに、
（６）  前記電気負荷（２０）を対応させて制御（３２）するための出力信号（Ｍi）を前記電気負荷（２０）用の制御器に提供するように前記要求信号（Ｍld）および前記それぞれの各負荷能力信号（６１、６１’、６１’’）のより小さな方を選択する、
ことを特徴とする制御システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は、燃料電池を電源とするシステムを制御するシステムおよび方法に関する。より詳細には、本発明は、運転者の要請に迅速ではあるが瞬間的ではない応答が必要とされる、輸送装置などの負荷追従（ｌｏａｄ−ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ）の燃料電池を電源とする用途およびシステムのための予測制御装置に関する。
【０００２】
【背景技術】
燃料電池電力システムは、一般に、電気化学反応プロセスを提供して電気を生成するために燃料反応物と、酸化剤反応物、通常は空気とが供給される１つまたは複数の電池スタック組立体（ＣＳＡ）を含む。水などの冷媒も、ＣＳＡ内のプロセスの一部として存在でき、水／水蒸気も、燃料供給プロセスで使用できる。反応物の供給と、補助的な冷媒および水／水蒸気の少なくとも一方の供給との調整は、ＣＳＡ内のプロセスと燃料電池電力設備の作動とを制御するのに一般に使用される。
【０００３】
据え置き型用途の燃料電池電力設備の制御器は、一般にシステムが高圧送電線網に接続されているかまたは高圧送電線網から独立しているかによって、負荷追従にもまたは非負荷追従にもなり得る。高圧送電線網から独立している方式では、電力設備は、許容できない電圧の変移を防止するために負荷の変更に瞬間的に追従する必要がある。一方、輸送装置の駆動モータに電力を供給するなどといった他の用途では、制御器は、負荷追従となる必要があるが、運転者の観点から許容できる応答を与えるには瞬間的である必要はない。実際、ある程度の制御は、輸送装置の速度の変更、温度制御などのシステムの広い作動パラメータを選択する運転者に属する。非常に漸進的な負荷の変更が命令される範囲では、相対的に基本的かつ単純な制御システムが適切となり得る。一方、燃料電池の応答は、電流出力または負荷の増加要求には瞬間的であるので、電流または電力の要求が、反応物または冷媒のＣＳＡへの供給の変更が行われるまたは行うことができる速度を超える場合は、燃料電池は、反応物の枯渇状態に、場合によっては不十分な冷却にさえ、遭遇し得る。
【０００４】
過渡的な負荷の増加の状態中に遭遇し得るそのような問題の一例は、ビール（Ｂｅａｌ）らに付与された米国特許第４，７２９，９３０号に記載される。そこでは通常、定速度送風機が、通常、大幅な過渡的負荷増加時を除いて単一調整（ｓｉｎｇｌｅ  ｍｏｄｕｌａｔｅｄ）弁を介して適切な反応物空気の供給を与える。その後、この特許の制御システムは、そのような過渡時に送風機からＣＳＡへ増加した空気供給を迅速に与えるために、調整弁に並列する１つまたは複数の迅速に開く補助空気弁を作動させる。これによって、負荷の過渡時に反応物空気の適切な供給が与えられるが、制御された迅速に開く弁の配列および大きな定速度送風機の「費用（犠牲）」を伴う。
【０００５】
マフォード（Ｍｕｆｆｏｒｄ）らに付与された米国特許第５，９９１，６７０号、米国特許第５，７７１，４７６号などのさらなる他の特許には、輸送装置のための燃料電池システムにおいて電力出力および酸化剤供給を、特に予測された負荷要求の結果として、制御するシステムが記載されている。これらの特許は、可変速圧縮機が酸化剤を供給するとともに輸送装置の駆動モータに加えて非常に大きな負荷を有するシステムに関する。ＣＳＡの電力出力は、圧縮機の速度に依存する。従来システムに共通の圧縮機の速度上昇および不安定性を除去するために、複数の検出された電力要求信号に基づいて電気負荷の全体の瞬間電力要求を決定する加算装置と、この瞬間電力要求を満たすのに十分な燃料電池電力出力を与えるように予測された値に圧縮機速度を調整するためのフィードフォワード出力信号を生成するプロセッサとから構成される制御システムが提供される。圧縮機の速度上昇および不安定性の問題に対処しているとはいえ、この方法は、制御される１つまたは複数のプロセス制御変数に比較して迅速過ぎる速度で、負荷過渡が増加するかまたは増加させられる場合は、酸化剤反応物などのＣＳＡの１つまたは複数のプロセス制御構成要素がＣＳＡから枯渇する危険を冒し続ける。
【０００６】
【発明の開示】
本発明は、自動推進輸送装置に電力を供給するなどといった負荷追従の適用における燃料電池電力設備内の１つまたは複数の燃料電池スタック組立体（ＣＳＡ）を、電気負荷過渡時にＣＳＡ枯渇を低減、最小限に抑制、または除去するように、制御する装置である。
【０００７】
従って、本発明は、瞬間的な電気負荷過渡により生じ得るＣＳＡ枯渇という受け入れられない状態を生じることなく、ＣＳＡを電源とするシステムの迅速な応答を提供する予測方法で燃料電池電力設備を制御する方法およびシステムを含む。本発明の制御システムおよび方法は、ＣＳＡに制御可能に接続された１つまたは複数の電気負荷に電力を供給するＣＳＡを有するとともに、ＣＳＡの作動はまたはプロセスを行うための燃料反応物、酸化剤反応物、冷媒のそれぞれの供給源を有する、燃料電池を電源とするシステム内で、使用するためのものである。負荷過渡時の反応物の枯渇および不十分な冷却の少なくとも一方を最小限に抑えるかまたは除去する予測方法でシステムを制御する方法は、１つまたは複数の電気負荷により必要とされる予測電流または予測電力を表す要求信号を提供し；ＣＳＡに接続された１つまたは複数の負荷により受け取られる実際の電流または電力を表す負荷信号を提供し；要求信号および負荷信号のより大きな方を選択するとともに、ＣＳＡのプロセスを行うように１つまたは複数の反応物および冷媒を調整する制御信号を提供し；行われたプロセスの状態を示す１つまたは複数のプロセス状態信号を提供し；１つまたは複数のプロセス状態信号のそれぞれを、各負荷能力信号に変換し；システム負荷を対応させて制御するための出力信号を提供するように要求信号およびそれぞれの各負荷能力信号のより小さな方を選択することを含む。
【０００８】
さらに、制御信号を提供するステップは、選択された負荷信号を、負荷電流とそれぞれの１つまたは複数の調整される反応物および冷媒との間の相関関係の関数としての公称設定値信号に、変換することを含む。この制御信号を提供するステップは、選択されかつ変換された公称設定値信号を、行われた作動プロセスの状態信号などの１つまたは複数のプロセスフィードバック信号と比較し、それによって、誤差信号を提供すること、および、選択されかつ変換された公称設定値信号の関数に誤差信号の関数を加算することをさらに含み得る。
【０００９】
上述したようにＣＳＡおよび付随する負荷を制御する方法のステップを行う、適切なコントローラを含む対応する制御システムが提供される。
【００１０】
本発明の上述した特徴、利点は、添付の図面に例示される、本発明の例示的な実施態様の以下の詳細な説明に照らして、より明らかになるでろう。
【００１１】
【発明を実施するための最良の形態】
図１を参照すると、本発明に従った負荷用途および付随する制御システムを含む、燃料電池を電源とするシステム１０の一般化した機能の流れ図が図示される。燃料電池スタック組立体１２は、以下ＣＳＡ１２とするが、これは、燃料電池のよく知られた電気化学反応の結果として電力を供給する１つまたは複数の電力供給源を表す。ＣＳＡ１２は、従来のいくつかの種類のいずれとすることもできるが、例示した実施態様では、高分子電解質膜（ＰＥＭ）型とするのが好ましい。ＣＳＡ１２は、一般に、アノード部分、カソード部分、中間電解質マトリックスまたは高分子フィルム部分、適切な冷媒流路を含む。アノード部分は、１４で示された経路を介して燃料反応物、すなわち水素に富んだ流れ、を受け取る。水素は、基本的な元素の形態で貯蔵かつ供給でき、または、改質プロセスの結果物とすることができる。カソード部分は、１６で示された経路を介して酸化剤反応物、通常は空気、を受け取る。ＣＳＡ１２へのおよびＣＳＡ１２からの冷媒は、１８で示された経路を介する。
【００１２】
ＣＳＡ１２は、さまざまな種類の電気負荷へ電力を供給する。本発明の例では、主な負荷用途は、負荷追従の、例えば、輸送装置を推進する電気駆動モータの、電力供給である。ＣＳＡ１２は、ＣＳＡの電気化学プロセスおよびその補助システムを実際に維持しかつ実行するのに必要とされる他の電気負荷へ電力を供給する必要もある。従って、ＣＳＡ１２は、全体が２０で示される「電気負荷」関数ブロックへ電気導線２２を介して電力を供給するように図示される。電気負荷ブロック２０は、さらに、「主部、例えば駆動モータ」で示される主負荷部分と、「副部、例えば燃料電池自己負荷および補助輸送装置負荷」で示される副負荷部分とに分割されるように図示される。燃料電池自己負荷は、次の、１つまたは複数の冷媒ポンプ、１つまたは複数の空気送風機、圧縮機、反応物弁コントローラおよびアクチュエータ、冷媒弁コントローラおよびアクチュエータ、ファン、改質器水蒸気弁およびアクチュエータ、のうちの１つまたは複数を含むかまたは含み得る。
【００１３】
ＣＳＡ１２内の電気化学作動またはプロセスを制御するさまざまな供給／制御装置が、同様に特定されるブロック２４により表される。これらの装置の例には、燃料反応物弁、酸化剤反応物弁、冷媒ポンプおよび弁、空気送風機、改質器水蒸気弁、圧縮機などが含まれる。ブロック２４のさまざまな供給／制御装置は、コントローラ２６により提供される各制御信号Ｍx、Ｍx'、Ｍx''などを受け取る。同様に、ブロック２４の各供給／制御装置のそれぞれの状態または現状を示すフィードバック信号または状態信号Ｘp、Ｘp'、Ｘp''などが、コントローラ２６へフィードバックされる。コントローラ２６は、一般に、従来設計のマイクロプロセッサに基づくプログラム可能な論理コントローラであり、以下においてより十分詳細に説明する本発明の機能を実行するのに既存の方法で適切にプログラムされる。コントローラ２６は、アナログ信号、離散信号、デジタル信号のうちの少なくとも１つを入力として受け取ることができ、全体の制御図に従って同様の形式の信号を出力として提供する。
【００１４】
一括してブロック２８で表される１つまたは複数の負荷要求装置が、Ｍldで示されかつ全体の所望の負荷を表す負荷要求信号を確立するのに使用される入力信号を提供する。自動推進用途では、主負荷要求は、異なる作動条件および体制（ｒｅｇｉｍｅ）下で輸送装置を駆動する駆動モータのものとなる。駆動モータを制御する信号を生成する負荷要求装置は、一般にアクセルペダルである。副負荷要求装置は、同様に、輸送装置の加熱、換気、空気調和のうちの少なくとも１つなどといった他の負荷を制御する要求信号を提供し得る。負荷要求信号Ｍldは、電流または電力として表すことができ、コントローラ２６の外部で展開（ｄｅｖｅｌｏｐ）されることができ、あるいは、図２を参照してより十分詳細に説明するように予測全体負荷に必要とされるＣＳＡ１２の作動レベルを最終的に確立するために、ここに図示するように負荷要求ブロック２８により提供される入力の結果としてコントローラ２６内で展開されることができる。
【００１５】
コントローラ２６により出力として提供される制御信号Ｍx、Ｍx'、Ｍx''などは、ブロック２４の各プロセス供給／制御装置を適切に制御するように機能して、１つまたは複数の負荷２０による推定負荷要求を維持するのに必要なＣＳＡ１２の応答を行う。これらの制御信号Ｍx、Ｍx'、Ｍx''などの展開は、負荷要求信号Ｍldから展開されるフィードフォワード信号値に主に基づく。しかしながら、これらは、誤差信号成分の補正包含（ｃｏｒｒｅｃｔｉｖｅ  ｉｎｃｌｕｓｉｏｎ）にも依拠しており、この誤差信号成分は、図２を参照してより十分詳細に説明するように、ブロック２４の各プロセス供給／制御装置の状態を示すフィードバックを状態信号Ｘp、Ｘp'、Ｘp''などを介して提供することにより、かつ、フィードフォワードされる１つまたは複数の負荷要求信号と比較することにより、展開される。
【００１６】
ＣＳＡ１２により出力される実際の電流または電力は、例えば、電流出力モニタ３０によって測定され、電流または電力によって表され得る信号Ｉapとしてコントローラ２６へ供給される。制御パラメータとしてＩap信号が、以下に説明するように使用される。ＣＳＡ１２に渡る出力電圧は、電圧出力モニタ３１により測定され、信号Ｖapとして表される。実際の電流信号または電力信号Ｉapおよび出力電圧値Ｖapの少なくとも一方を、ＣＳＡ１２内で行われたプロセスの状態を示す信号として見ることもでき、さらなる制御目的のために使用できる。さらに、コントローラ２６は、モータコントローラブロック３２へ出力として制御信号Ｍiを提供する。モータコントローラブロック３２は、ＤＣ−ＤＣ変換器および駆動モータに付随するモータコントローラの少なくとも一方を表しており、制御信号Ｍiを対応する駆動モータ出力に変換する。
【００１７】
さらに図２を参照すると、本発明の燃料電池および負荷制御装置のより詳細な機能の概略かつ流れ図が、特に、ＣＳＡ１２の作動またはプロセスを行う１つまたは複数のプロセス供給／制御装置を制御するための１つまたは複数の制御信号Ｍxの展開に関して、および、駆動モータを制御する１つまたは複数の負荷制御信号Ｍiの展開に関して図示される。簡単かつ具体的にするために、図２の制御図は、単一の好ましい供給装置を制御する信号と単一の好ましい負荷装置を制御する信号とを展開するのに使用される単一の好ましい要求装置を有する装置の例示および説明に限定される。しかしながら、理解されるように、例示された要求装置、供給装置、および負荷装置の数および種類の両方の変形物が考慮される。
【００１８】
負荷要求装置２８は、この例ではアクセルペダルであり、電気負荷２０、特に駆動モータ、によるＣＳＡ１２上への負荷要求を確立するためにシステムに一次入力を提供する。アクセルペダルは、一般に運転者の制御下にあり、作動される輸送装置の速度に関して変更を命令しまたは現状を維持するのに使用される。適切な変換器４０、例えば分圧器が、アクセルペダルの位置を、ペダルの位置を表す対応する電気信号に変換する。次に、この位置信号は、ＡＤ変換器（図示せず）によりアナログ状態からデジタル状態に変換され得るが、これは、使用するコントローラ２６にとって適切であると想定している。同様に、ここで説明する他の信号も、さらに説明せずに必要に応じて、適切なアナログ状態またはデジタル状態に変換されることになる。結果として得られた要求装置２８からの部分的に処理された信号は、次に、所望の負荷を示す絞り（アクセル）出力信号Ｍldを提供するｆt（ｘ）関数ブロック４４へ供給される。ブロック４４内にグラフで図示されるこのｆt（ｘ）関数は、アクセル（絞り）信号を、負荷命令信号として使用するために、ＣＳＡ１２の負荷電流出力を表す同等のＤＣ電流値に変換するが、代替として、電力として表すこともできるであろう。同様に、ｆt（ｘ）関数ブロック４４は、図１および図２においてコントローラ２６の一部として図示されるとはいえ、この関数は、代替として、コントローラの外部に備えることができ、信号Ｍldは、次に、コントローラ２６への入力となる。
【００１９】
全体の所望の負荷を表す絞り出力信号Ｍldは、コントローラ２６（図２では破線で部分的に示される）への入力として図１、図２において示される。しかしながら、理解されるように、関数ブロック４４により提供される変換は、コントローラ２６の一部として含まれ得る。本発明の態様に従って、絞り信号Ｍldは、「より大きな選択」関数ブロック４６の１つの入力として適用され、もう１つの入力は、ＣＳＡ１２からの実際の出力負荷電流／電力を示すＩap信号である。より大きな選択関数４６は、２つの入力信号のうちより大きな方を通すように作動し、論理「ｉｆ」関数により提供できる。理解されるように、これは、最終的な信号により制御される反応物の流れおよび冷媒の流れの少なくとも一方が、ＣＳＡ１２および負荷２０の実際のプロセス要求より確実に不注意で下がらないようにする。これは、アクセル位置が負荷の低下を要請するときの「下方過渡」に特に必要とされる。
【００２０】
より大きな選択４６からの出力は、随意の進み／遅れ（ｌｅａｄ／ｌａｇ）関数ブロック４８を介して動的補償提供することができ、それに続き、ｆR（ｘ）関数ブロック５０への入力として適用される。
【００２１】
ｆR（ｘ）関数５０は、ルックアップ表または関数発生器とすることができるスケジュールを表し、制御される１つまたは複数のプロセス供給／制御装置のための設定値として機能する出力を提供する。代表的な例では、この装置は、一般に、酸化剤または燃料反応物制御弁および空気送風機モータの少なくとも一方である。さまざまな装置が制御されている場合は、それぞれに対する各関数が、必要とされかつ組み込まれる。設定値は、より大きな選択４６により通された信号により確立されるＣＳＡ１２の要求出力を達成または維持するための特定のプロセス−制御装置の所望の作動レベルを表す。
【００２２】
ブロック５０の出力は、公称設定値５１として、ブロック５０からの所望の流れ（または速度）値を公称制御出力信号５５に変換するフィードフォワード関数ｆf（ｘ）ブロック５４へと延びており、かつここに図示するように、その信号を制御器に送る前にフィードフォワード出力を「同調」させまたは「調整」する古典フィードバックコントローラへと延びている。
【００２３】
認識されかつ理解されるように、ここで説明される「フィードバック」および「フィードフォワード」は、古典制御理論でよく知られた形式および用語で図示されるが、一般的な意味において適用でき、さらに、予測器／補正器と補正効果を達成するようにプログラムされた他の等式とのうちの少なくとも１つの概念を用いる現代制御理論も同様に包含される。
【００２４】
フィードバックコントローラは、フィードバックされるとともにプロセス供給装置状態の応答または状態の指標または尺度として機能する状態信号Ｘpと、最初に比較器５２において設定値５１とを比較することにより、その関数を実行する。比較器５２からの誤差信号５３が、ブロック５８において既知の方法での比例・積分（ＰＩ）制御を提供され、結果として得られた信号は、加算器５６の入力へ延びている。加算器５６において、ブロック５４を介してブロック５０からフィードフォワードされた公称フィードフォワード設定値信号５５は、フィードバック誤差信号との加算によって「同調」または「調整」され、この加算は、結果として得られる出力として装置制御信号Ｍxを提供する。
【００２５】
装置制御信号Ｍxは、コントローラ２６からの出力として提供され、装置のための付随するアクチュエータ／制御器２４’を介して関連するプロセス供給／制御装置２４を制御するように接続される。例えば、装置２４が、反応物流れ制御弁である場合は、付随するアクチュエータ２４’は、弁アクチュエータまたは駆動装置とすることができ、あるいは、装置２４が酸化剤反応物のための空気送風機である場合は、付随するアクチュエータ２４’は、送風機モータおよびその駆動回路の少なくとも一方とすることができる。従って、装置制御信号Ｍxは、負荷の適用の前に上方過渡時に反応物または冷媒の流れを増加するように処方され、かつ、図２に図示されるＩapにより測定される実際に適用された負荷が低下するまで下方過渡時に反応物の流れの低減を遅延させるように処方される。
【００２６】
本発明の別の態様に従って、コントローラ２６内に、ブロック２０の駆動モータなどの１つまたは複数の主負荷への電力を制御する備えがなされる。図２の下方部分を参照すると、装置状態信号Ｘpは、ｆR（ｘ）関数ブロック５０内にあるものとは逆のスケジュールまたは関数であるｆR-1（ｘ）関数ブロック６０への入力にも提供される。換言すれば、関数ブロック５０は同等の負荷電流／電力要求信号を特定のプロセス供給／制御装置のための制御値へ変換したのに対して、関数ブロック６０は、この特定のプロセス供給／制御装置からフィードバックされる状態値、例えば酸化剤または燃料の質量流量を、測定されたプロセス能力を表す同等の負荷電流／電力値に変換し、負荷能力信号６１と示される。付加的プロセスパラメータが、その瞬間的状態に基づいてシステムの負荷能力を知らせるように監視され得る。例えば、信号Ｘp'で表されるさらに別のプロセス／供給装置の状態が、さらに別の「負荷能力」関数ブロック６０’に適用できて、このプロセス／供給装置の状態に基づいてさらなる負荷能力信号６１’’を提供する。引き続きさらに、ＣＳＡ１２自体の状態を表す信号、例えば実際の出力電圧Ｖapが、さらなる「負荷能力」関数ブロック６０’’に適用できて、さらなる負荷能力信号６１’’を提供する。
【００２７】
ここで使用する「状態信号」という用語は、実際のものであろうとあるいはモデル化から予測されたものであろうと、作動プロセスにおける装置またはパラメータの状態の指標として最も広い意味において意図されている。状態信号Ｘpは、ここでは便宜上、ブロック５７から出て、フィードバックコントローラの比較器５２へフィードバックを提供するよう機能するように、示されており、一般に、制御される装置またはパラメータの実際の尺度である。しかしながら、ブロック５７からの１つまたは複数の状態信号は、代替としてまたは付加的に、特定のパラメータを表すかまたはそうでなければ特定のパラメータを示す予測されたまたはモデル化された値となり得る。この後者の条件は、信号が、負荷能力関数６０、６０’への入力として使用されるとともに、状態信号が、制御のためまたはその他のためのフィードバックとして、あるいは、モデル化された値として使用され得るときに、特に適用できる。同様に、負荷能力関数ブロック６０’’に適用される状態信号Ｖapも、代替としてモデル化され得る。さらにそのうえ、ブロック５７からの状態信号Ｘp、Ｘp’などは、コントローラ２６の実質的に外部で展開するように図示されるとはいえ、これらの信号の一部または全部のモデル化または調和は、代替として、コントローラ２６内でまたはコントローラ２６によって行われ得る。破線導線が、さまざまな状態信号の供給源を示すように、図２において、プロセス供給／制御装置ブロック２４から破線「プロセス／モデル化」ブロック１２’を通して、ブロック５７へと延びるように示される。「プロセス」１２’は、ＣＳＡ１２の作動に関連しかつＣＳＡ１２により出力されるプロセスパラメータを表す。ブロック５７からの「Ｘp」状態信号として図示されていないとはいえ、「負荷能力」関数ブロック６０’’に適用されるＶap信号は、それでもなお、行われたプロセスを示す状態信号である。
【００２８】
関数ブロック６０からの負荷能力出力信号６１は、「より小さな選択」回路６２の入力に適用され、同様に、負荷能力信号６１’、６１’’は、回路６２のそれぞれ他の入力へと延びており、上述した絞り信号Ｍldは、ブロック６２のさらに別の入力に適用される。より小さな選択関数６２は、論理「ｉｆ」回路とすることができ、２つまたはそれを超える入力値からより小さなものあるいは最も小さなものだけをその出力へと通すように作動し、出力信号は、先に述べたＭi制御信号である。Ｍi制御信号は、駆動モータのトルク／速度応答を制御するためにモータコントローラブロック３２に適用される。２つまたそれを超える入力値から最も小さな方（すなわち、最小）のものだけを選択することにより、運転者がアクセルペダルを緩めた場合に動力を低減するように駆動モータへ命令することで、下方過渡能力が、提供される。下方過渡時のこの瞬間的応答は、通常駆動時の運転者の命令に対する本質的な応答を提供し、非常制動のための重要な安全上の特徴となる。さらに、予測要求が増加された上方過渡において、より小さな選択は、負荷、特に駆動モータに供給された電力が確実に迅速に増加しないようにすることにより、ＣＳＡ１２の反応物の枯渇を防止するように機能する。これは、１つまたは複数の負荷能力信号６１、６１’、６１’’などが、関連する供給装置による関連する反応物の十分な供給状態と直接のＣＳＡ１２の十分な出力負荷能力との少なくとも一方を累積的に示すまでは、より小さな選択６２によって、「増加された」絞り要求信号Ｍldが、モータ駆動制御信号Ｍiにならないようにされるので、行われる。そのときまでは、１つまたは複数の状態信号のより小さな方が、モータ駆動制御信号Ｍiの供給源となる。
【００２９】
上述した実施態様に変更を行うことができる。例えば、要求信号は、駆動モータばかりでなく、加熱負荷、換気負荷、空気調和負荷のうちの少なくとも１つの負荷などの他の種類の負荷への電力を制御するために手動入力または自動入力により提供できる。さらに、１つまたは複数のプロセス供給装置は、複数および種々のものとすることができ、適切なスケジュールまたは伝達関数が、要求信号を適切な文脈に変換するようにそれぞれに付随する。また、制御設計は、アルゴリズムまたは利得を調整することにより、さまざまなフィーバックおよびフィードフォワード制御関数の寄与を調整（または除去）できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の燃料電池を電源とする負荷用途および付随する制御システムを一般化した機能の流れ図。
【図２】  本発明の燃料電池および負荷制御装置を例示する、より詳細な機能の概略かつ流れ図。
【図１】
0004445199.tif 000002
【図２】
0004445199.tif 000003