(57)【要約】燃料電池スタック（１０４）および炭化水素リフォーマ電力システム（１１４）のための、中央処理装置（１０８）と、分散制御Ｉ／Ｏモニタリングおよび制御モジュールを有する制御領域ネットワーク（１０６）とを有するシステムが開示される。本発明の統合された燃料電池電力システムのモニタリングおよび制御を行う装置は、第１の制御領域ネットワークと、燃料電池のスタックと、燃料電池のスタックおよび第１の制御領域ネットワークとの間に動作可能に接続される埋め込み式の制御を有する燃料電池Ｉ／Ｏモジュールであって、燃料電池Ｉ／Ｏモジュールが、局所燃料電池電力システムのパラメータデータ出力に応答し、システムレベルの基準に関連するデータを、該第１の制御領域ネットワーク全体に伝達する、燃料電池Ｉ／Ｏモジュールと、該第１の制御領域ネットワークに動作可能に接続されるシステムレベルコントローラとを含む。
2006508492.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
統合された燃料電池電力システムのモニタリングおよび制御を行う装置であって、
第１の制御領域ネットワークと、
燃料電池のスタックと、
該燃料電池のスタックおよび該第１の制御領域ネットワークとの間に動作可能に接続される埋め込み式の制御を有する燃料電池Ｉ／Ｏモジュールであって、該燃料電池Ｉ／Ｏモジュールが、局所燃料電池電力システムのパラメータデータ出力に応答し、該燃料電池Ｉ／Ｏモジュールが、システムレベルの基準に関連するデータを、該第１の制御領域ネットワーク全体に伝達する、燃料電池Ｉ／Ｏモジュールと、
該第１の制御領域ネットワークに動作可能に接続されるシステムレベルコントローラと
を含む、統合された燃料電池電力システムのモニタリングおよび制御を行う装置。
【請求項２】
水素のソースに動作可能に接続される前記燃料電池のスタックをさらに含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
水素のソースが炭化水素リフォーマである、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
バーナーを含む前記リフォーマと、該リフォーマと前記第１の制御領域ネットワークとの間に動作可能に接続される埋め込み式の制御を有するバーナーＩ／Ｏモジュールを含む前記システムとをさらに含む装置であって、該バーナーＩ／Ｏモジュールが局所燃料電池電力システムのパラメータデータ出力に応答し、該バーナーＩ／Ｏモジュールが、システムレベルの基準に関連するデータを、該第１の制御領域ネットワーク全体に伝達する、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
局所燃料電池電力システムのパラメータデータに応答する一般的Ｉ／Ｏモジュールをさらに含む装置であって、該一般的Ｉ／Ｏモジュールが、システムレベルの基準に関連するデータを、前記第１の制御領域ネットワーク全体に伝達する、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記一般的Ｉ／Ｏモジュールが燃料電池電力システムの局所パラ―メータデータ入力を記録する、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記一般的Ｉ／Ｏモジュールが燃料電池電力システムの局所パラメータデータ出力を記録する、請求項５に記載の装置。
【請求項８】
前記一般的Ｉ／Ｏモジュールが、局所制御信号を生成するようにシステムモニタおよびシステム信号に応答する、請求項５に記載の装置。
【請求項９】
前記コントローラが、前記一般的Ｉ／Ｏモジュールにシステムモニタおよび制御信号を提供するように構成される、請求項５に記載の装置。
【請求項１０】
前記コントローラが、前記システムレベルに関連するデータに応答する、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記システムに関連するデータが前記コントローラによって記録される、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記コントローラがグラフィックユーザインターフェースを有する、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記コントローラがエンジン制御ユニットである、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
前記コントローラが前記システムの接続性をモニタする、請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
前記第１の制御領域ネットワークが、前記モジュールが再構成されるとき動作するように構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
前記一般的Ｉ／Ｏモジュールが、前記システムレベルの制御から分離された前記一般的Ｉ／Ｏモジュールの制御を許可する装置をも含む、請求項５に記載の装置。
【請求項１７】
前記第１の制御領域ネットワークの再構成が発生するとき、前記コントローラによって前記システムに関連するデータが保存される、請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
前記第１の制御領域ネットワークの再構成が発生するとき、前記一般的Ｉ／Ｏモジュールによって前記システムに関連するデータが保存される、請求項５に記載の装置。
【請求項１９】
前記第１の制御領域ネットワークがリング状の配線構成のシリアルバスシステムである、請求項１に記載の装置。
【請求項２０】
前記コントローラがオペレーティングシステムを有する装置であって、該オペレーティングシステムがリアルタイムで作動する、請求項１に記載の装置。
【請求項２１】
前記オペレーティングシステムがＯＳＥＫ２．１に準拠している、請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
第２の制御領域ネットワークに動作可能に接続される前記第１の制御領域ネットワークをさらに含む、請求項１に記載の装置。
【請求項２３】
前記一般的Ｉ／Ｏモジュールが局所制御信号を前記燃料電池のスタックに伝達する、請求項５に記載の装置。
【請求項２４】
前記一般的Ｉ／Ｏモジュールがファンのモニタリングおよび制御を行う、請求項５に記載の装置。
【請求項２５】
前記一般的Ｉ／Ｏモジュールがポンプのモニタリングおよび制御を行う、請求項５に記載の装置。
【請求項２６】
前記一般的なＩ／Ｏがバルブのモニタリングおよび制御を行う、請求項５に記載の装置。
【請求項２７】
前記制御領域ネットワークに動作可能に接続される前記一般的Ｉ／Ｏモジュールが、局所パラメータデータすべてのモニタリングおよび前記燃料電池電力システム内の局所信号のすべての制御を行う、請求項５に記載の装置。
【請求項２８】
前記制御領域ネットワークに動作可能に接続され、前記燃料電池電力システム内で、局所パラメータデータの自動的なモニタリングおよび局所Ｉ／Ｏの制御を行う複数の一般的Ｉ／Ｏモジュールをさらに有する、請求項５に記載の装置。
【請求項２９】
前記一般的Ｉ／Ｏモジュールが、低温に関連する局所パラメータデータのモニタリングおよび制御を行う、請求項５に記載の装置。
【請求項３０】
前記一般的Ｉ／Ｏモジュールが、高温に関連する局所パラメータデータのモニタリングおよび制御を行う、請求項５に記載の装置。
【請求項３１】
前記一般的Ｉ／Ｏモジュールが、フレームセンサに関連する局所パラメータデータのモニタリングおよび制御を行う、請求項５に記載の装置。
【請求項３２】
前記一般的Ｉ／Ｏモジュールが、空気の流れに関連する局所パラメータデータのモニタリングおよび制御を行う、請求項５に記載の装置。
【請求項３３】
前記一般的Ｉ／Ｏモジュールが、燃料電池電圧に関連する局所パラメータデータのモニタリングおよび制御を行う、請求項５に記載の装置。
【請求項３４】
前記一般的Ｉ／Ｏモジュールが、排他的に温度に関連する局所パラメータデータのモニタリングおよび制御を行う、請求項５に記載の装置。
【請求項３５】
前記一般的Ｉ／Ｏモジュールが、排他的にパルス幅変調に関連する局所パラメータデータのモニタリングおよび制御を行う、請求項５に記載の装置。
【請求項３６】
前記システムレベルのコントローラが遠隔通信を介してソフトウェアの更新を行う、請求項１に記載の装置。
【請求項３７】
前記一般的Ｉ／Ｏモジュールが安全回路緊急停止ループを作成する、請求項５に記載の装置。
【請求項３８】
前記一般的Ｉ／ＯモジュールがＤＣ−ＡＣインバータ燃料電池電力生成を調整する、請求項５に記載の装置。
【請求項３９】
前記一般的Ｉ／Ｏモジュールがシステムの電力フローの外部および内部の寄生負荷管理に対し調整する、請求項５に記載の装置。
【請求項４０】
第１の一般的Ｉ／Ｏモジュールがスマート内部バスへの電力供給のレギュレータとして働く、請求項２８に記載の装置。
【請求項４１】
前記一般的Ｉ／Ｏモジュールが安全回路を制御する、請求項５に記載の装置。
【請求項４２】
前記一般的Ｉ／Ｏモジュールが補助ボイラーを制御する、請求項５に記載の装置。
【請求項４３】
前記一般的Ｉ／Ｏモジュールはシステムレベルの制御が可能である、請求項５に記載の装置。
【請求項４４】
前記コントローラが同時に複数のプロトコルを介して通信可能である、請求項１に記載の装置。
【請求項４５】
前記コントローラがＤｅｖｉｃｅＮｅｔに準拠している、請求項１に記載の装置。
【請求項４６】
前記コントローラがマスターまたはスレーブとして構成可能な、請求項２２に記載の装置。
【請求項４７】
燃料電池電力システムであって、
制御領域ネットワークに、好ましくはＣＡＮプロトコルネットワークに通信可能に接続されるＥＣＵまたはＣＰＵなどのコントローラであって、該コントローラが、燃料セルのスタックおよびそれに関連する水素供給ソースをモニタおよび制御するための埋め込み式制御を有する複数の一般的Ｉ／Ｏモジュールと通信を行う、コントローラを含む、燃料電池電力システム。
【請求項４８】
水素供給が炭化水素リフォーマであるシステムであって、該システムが、温度、圧力、炭化水素供給速度、リフォーマを通じてのマスフロー、空気供給速度、水および蒸気の生成および供給速度、ならびに全体的な熱出力を含むリフォーマの動作のモニタリングおよび制御を行う埋め込み式の制御を有する１つ以上の一般的Ｉ／Ｏモジュールを有する、請求項４７に記載のシステム。
【請求項４９】
燃料電池システムを動作する方法であって、
燃料電池または燃料電池と統合された燃料プロセッサのパラメータ情報を測定するステップと、
バスの測定に関する情報を伝達するステップと、
高温モニタ、低温モニタ、パルス幅変調およびリレーモジュール、電池電圧モニタ、コントローラ、ならびに一般的Ｉ／Ｏモジュールからなる群から選択される、１つ以上のモジュールを介してバスにアクセスするステップと
を包含する、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、統合された炭化水素リフォーマリアクタおよび燃料電池システムに関し、特に、そのようなシステムを制御するための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
定置発電所、交通（車）、およびその他持ち運び可能な電力の市場などの数々の市場において、電力生成のための燃料スタックの供給のために、炭化水素を、水素を濃縮した製品ガスに変換することへの需要がますます高まっている。したがって、当該分野において、燃料リフォーマ、または燃料プロセッサを水素燃料電池スタックと統合する数々の多大な努力がなされている。自動車業界に対する、ドライブ制御に統合された燃料電池への急速に芽生えた需要は、利用し得るシステムの欠如を浮き彫りにしている。
【０００３】
燃料電池のスタックまたは燃料プロセッサのどちらにしても、およびそれらの各コンポーネントだけをとっても、それは複雑であり、かつ潜在的に脆いので、広範囲のパラメータの即時（リアルタイム）のモニタリングと制御が必要となる。その必要性は、スタックおよび燃料プロセッサが統合されたシステムに動作可能に接続されるときに度合いを増す。システムが、自動車の用途において所望され得るような、迅速な馬力の上昇および下降ならびに変化する負荷への動的な応答を要求する用途に使用されるとき、統合されたシステムに関するさらに大きい制御問題が生じる。燃料電池システムの動作パラメータの、信頼性のある、時には複雑な制御は、最適化される機能および寿命にとって非常に重大であると考えられる。燃料電池電力システムは、システムの入力および出力に対する正確でタイムリーな制御を必要とする。
【０００４】
従来の制御デバイスは、専用の独立型デバイスを含む。問題はこれらのデバイスにある。これらの専用デバイスは、そのシステムの属性に対するフィードバックおよびおそらく制御を提供して、システムの特定の属性をモニタする。独立型のモニタおよび制御デバイスは、制御されるデバイスの近くに近接して配置されるプロセッサインテリジェンスを必要とする。専用の、独立型デバイスは、カスタム設計のシステムおよび複雑な配線図を要求する傾向にある。そのようなシステムは、コストがかかるばかりでなく効率も欠如する。
【０００５】
したがって、独立型およびカスタム設計の燃料電池電力およびモニタリングデバイスは複雑な配線および全体的な非効率性を伴う問題を誘起する。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（発明の要旨）
燃料電池のスタックおよび燃料プロセッサと統合されるようなスタックのモニタリングおよび制御に適する装置が開発されてきた。本発明は、埋め込み式制御を有するデバイスモニタリングＩ／Ｏモジュールを有し、各Ｉ／Ｏモジュールは１つ以上の特定の機能を有する。このＩ／Ｏモジュールは、（例えば燃料電池のスタックまたは水素を発生するリアクタの）燃料電池システムのコンポーネントと制御領域ネットワークとの間に接続される。Ｉ／Ｏモジュールは、局所の燃料電池電力システムのパラメータデータの出力に応答し、制御領域ネットワークを介して、関連するシステムレベルのデータを伝達する。Ｉ／Ｏモジュールは、中央処理装置（ＣＰＵ）によって調整されるシステム全体の分散制御ネットワークを実行するように共同して働く。ＣＰＵは、好ましくは、制御領域ネットワークを介する通信によってシステムを制御する、システムレベルのコントローラである。好ましいシステムは、システムレベルのコントローラおよびおそらくは温度測定、電池電圧、および比例ソレノイド弁制御などの特定のＩ／Ｏを処理するように設計されるいくつかのＩ／Ｏモジュールを含む。このネットワークは、既存のバス型または（ＣＡＮなどの）分散ネットワークに接続されてもよく、あるいはそれ自身で動作してもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
（詳細な説明）
本発明は、多くの異なる形式での実施形態に大いに影響され得るが、本発明の好ましい実施形態を図面および本明細書において詳細に説明する。本発明の開示は、本発明の原理の例示として考慮されるべきであり、本発明の広範囲な局面は例示される実施形態に限定されることを意図しない。
【０００８】
図１では、分散制御ネットワークを実行する、本発明による燃料電池電力システム１００が、予期される、迫りつつある危険または機会の観点からシステムの属性に細心の注意を払う手段を提供する。本発明による燃料電池電力システム１００は、Ｉ／Ｏモジュールレベルにインテリジェンスを配置するという利点を有する制御ネットワークを含む。モニタリングＩ／Ｏモジュールは、好ましくは、埋め込み式制御を有する。これらのＩ／Ｏモジュールは、独立型ベースで機能するように構成し得る。しかし、Ｉ／Ｏモジュールは、好ましくは、制御領域ネットワークを使用してシステムレベルのコントローラおよびその他の分散プロセッサＩ／Ｏモニタリングモジュールとリンクされる。Ｉ／Ｏモジュールは、好ましくは、独立型または制御領域ネットワークベースでモニタするデバイスの制御ばかりでなくフィードバックも提供し得る。フィードバックのタイプは、Ｉ／Ｏモジュールのタイプに依存し、そのＩ／Ｏモジュールは、高い温度１１２、低い温度１３２、パルス幅変調およびリレー１３４、電池電圧１０２ならびに一般的Ｉ／Ｏのデータをモニタし得る。モニタされるＩ／Ｏは典型的には燃料電池のスタックおよび燃料ソースであり、典型的には炭化水素リフォーマ（ｒｅｆｏｒｍｅｒ）である。分散制御ネットワークの部分として、Ｉ／Ｏモニタリングモジュールのフィードバックおよび制御の機能は、Ｉ／Ｏモジュールそのものにおいて局所的にアクセスし得るだけでなく、システムレベルコントローラにおいてもアクセスし得る。システムデータへのユーザアクセスはまた、好ましくはグラフィックユーザインターフェースであるユーザの制御パネルの使用を介して利用可能である。
【０００９】
燃料プロセッサは、水素含有燃料を、二酸化炭素などの他の構成物だけでなく水素も含むガス状の混合物にコンバートするデバイスである。燃料プロセッサは、通常、蒸気の改質（ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ）、水性ガスシフト、および水素含有改質油を燃料電池の要求条件を満たすように浄化することを含む、複数の応答を行う。別々の応答のそれぞれ、ならびに蒸気生成、必要な場合に燃料を気化すること、および排気の除去などの補助的動作のそれぞれは、温度、圧力、応答化学量論、およびその他のパラメータを必要とする。各サブシステムの動作は、所望のレベルの水素を供給するように互いに綿密に調整される必要があり、次にこの動作は電力を生成するための燃料電池の必要条件と調整される必要がある。燃料電池と燃料プロセッサとの組み合わせは、燃料電池電力システムと呼ばれる。
【００１０】
本発明の原理の中で、燃料電池電力システムの要素内および要素間において分散制御システムを使用することは、燃料プロセッサおよび燃料電池における従来の方法と比べて、効果的、実用的、フレキシブルかつ経済的であることが見いだされている。この利点は、燃料プロセッサ内での相互接続の制御において特に明白であるが、燃料電池および全てのシステムにも当てはまる。そのような制御システムの部分として、燃料電池のスタックの動作状態をモニタするための改良された方法は、スタックの個々の燃料電池の初期の不調（ｆａｉｌｕｒｅ）の検出において経済的かつ効率的であることが見出されている。
【００１１】
今度は図面、特に図１を参照すると、燃料電池電力システムのモニタリングおよび制御に適したＣＡＮベースの燃料電池電力システム分散制御ネットワーク１００が開示される。この燃料電池電力システム分散制御ネットワーク１００は、多くのＩ／Ｏモジュールを接続する制御領域ネットワークバス１０６を含む。システムレベルコントローラ１０８は、コントローラ領域ネットワーク（ＣＡＮ）１０６に接続されるいくつかのＩ／Ｏモジュールを制御する。Ｉ／Ｏモジュールは、好ましくは、燃料電池電力システムの処理側にまとめて配置される。このシステムは、好ましくは、局所的にモニタされかつネットワークによって制御可能なアクチュエータおよびセンサを使用する。
【００１２】
各制御領域ネットワーク１０６は、典型的には自動車の用途等に使用されるエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）１０８などのシステムレベルコントローラ１０８を有する。いくつかのＩ／Ｏモジュールは、特定のシステムモニタおよび制御のＩ／Ｏ機能の処理をするように設計される。Ｉ／Ｏモジュールは、制御領域ネットワーク１０６を介してシステムレベルコントローラ１０８からのシステムモニタおよび制御信号を受け取る。好ましくは、この制御システムのアルゴリズムはシステムレベルコントローラ１０８上に常駐する。Ｉ／Ｏモジュールは、システムレベルコントローラ１０８の負荷を減らすために、基本的に補助的な高速処理機能（ｔｒａｎｓｐｕｔｉｎｇ  ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ）を行うための埋め込み処理を実行する。
【００１３】
システムレベルコントローラ１０８は、オペレーティングシステム、好ましくはＯＳＥＫ（Ｏｆｆｉｃｅ  Ｓｙｓｔｅｍｅ  ｕｎｄ  ｄｅｒｅｎ  Ｓｃｈｎｉｔｔｓｔｅｌｌｅｎ  ｆｕｅｒ  ｄｉｅ  Ｅｌｅｋｔｒｏｎｉｋ  ｉｍ  Ｋｒａｆｔｆａｈｒｚｅｕｇ）に従うリアルタイムオペレーティングシステム（ＲＴＯＳ）をホストする。ＲＴＯＳはシステムの安全性および信頼性を最大化する一方、ＯＳＥＫは、特に、安全および時間が最重要である制御通信のために設計される。システムレベルコントローラ１０８はまた、好ましくは、燃料電池電力システム分散制御ネットワーク統合のための外部のＣＡＮインターフェースを提供して、ＣＡＮブリッジをホストする。
【００１４】
Ｉ／Ｏモジュールは、好ましくは、デジタル通信バス１０６上で互いに調整する。ＣＡＮバス機能は、システムレベルコントローラ１０８だけでなく、各Ｉ／Ｏの中心部においてマイクロコントローラ内に統合される。各Ｉ／Ｏモジュールは、ポーリングされるときに応答するように、または、警告状態が存在するときのみ通信を行うように、継続的ベースでシステムレベルコントローラ１０８を更新するようにプログラムされ得る。これらの更新は、システムレベル関連データの更新であり、好ましくは、制御領域ネットワーク１０６を介してシステムレベルコントローラ１０８に送信される。システムレベル関連データは典型的にはシステムモニタおよび制御信号への応答として生成され、好ましくは、システムレベルコントローラ１０８によって開始される。
【００１５】
ＣＡＮ専用の、より高度レベルのプロトコル（ＨＬＰ）が制御領域ネットワーク１０６の通信の改良のために使用される。いくつかのＣＡＮ／ＨＬＰの特徴は、システム開始前のＣＡＮバス１０６の送信ボー率の自動構成、システム開始前の各Ｉ／Ｏモジュールへの各物理的ＣＡＮバス１０６リンクの検証、システム開始前の燃料電池電力システム分散制御ネットワーク１００のモジュール構成の検証、燃料電池電力システム分散制御ネットワーク１００のモジュール間のＩ／Ｏ更新の間隔のソフトウェア構成、グラフィックユーザインターフェースベースのシステム構成１１６、ＣＡＮ通信のためのリアルタイムスループット分析、などを含む。各Ｉ／Ｏモジュールは、小さい外部チップにプログラムされ得る固有のシリアル番号を提供される。シリアル識別が制御領域ネットワーク１０６の自動構成処理の部分として使用される。一般に、本発明の燃料電池電力システム分散制御ネットワーク１００は、Ｉ／Ｏモジュールの追加および取り外しを簡単にするために「リング」配線構成を使用する制御入力／出力（Ｉ／Ｏ）およびデータ取得モニタリングを有する。
【００１６】
燃料電池電力システム分散制御ネットワーク１００は、合理的な程度の「フェイルセイフ（ｆａｉｌ  ｓａｆｅ）」機能を提供し得る。各Ｉ／Ｏモジュールは、システム緊急停止回路および／またはシステム緊急停止ローカルデバイスを開始（ｔｒｉｐ）するのに使用されるリレー接触を有し得る。リレーは、ユーザが特定する処理パラメータがソフトウェアが構成するアラーム限界を超えると、選択的に切られ（ｔｒｉｐ）る。このリレーはまた、マイクロコントローラファームウェアまたはハードウェアが適切な動作に万一失敗するとき、マイクロコントローラをリセットする各Ｉ／Ｏモジュール上の監視回路によって独自で切られ（ｔｒｉｐ）得る。
【００１７】
Ｉ／Ｏモジュールはそれらの対応するシステムデバイスを局所制御信号によってモニタおよび制御を行う。局所制御信号は、Ｉ／Ｏモジュールで受け取られるシステムのモニタおよび制御信号への応答であり得る。このシステムのモニタおよび制御信号は局所的に、Ｉ／Ｏモジュールにおいて生成されたものであってもよく、または好ましくは、コントローラ１０８からバス１０６を介して送信されたものであってもよい。数多くの局所パラメータデータが集められ得、記録され得、一般的Ｉ／Ｏモジュール１２４レベルから配信され得る。局所パラメータデータは、一般に、フィルタリングされ、システムレベル関連データとして制御領域ネットワーク１０６を介してシステムレベルコントローラ１０８にルーティングされる。
【００１８】
アラームおよび警告レベルはまた、制御領域ネットワーク１０６レベルとシステムレベルコントローラ１０８およびその他の自動シャットダウンに関連するＩ／Ｏモジュールとの適切な通信をトリガする。一旦イネーブルにされ、システムが動き出すと、アラーム閾値およびロジックはより控え目に構成される単なるソフトウェアであり得る。アラームのトリガは完全に構成可能であり、単なるＩ／Ｏレベルの比較に限定されない。ロジックは、任意の入力条件、タイミングおよびその他の考慮すべき事柄に基づき、警告レベルおよび／またはアラーム、シャットダウンシーケンスなどをトリガするよう実行され得る。燃料電池電力システム分散制御ネットワーク１００は、再構成が発生するときも動作可能なままである。システムの再構成は、電力損失および種々のその他のタイプの接続または通信の損失のために起こり得る。
【００１９】
好ましい実施形態では、燃料電池電力システム分散制御ネットワーク１００は、システムレベルコントローラまたは中央プロセッサであるエンジン制御ユニット１０８を含む。システムレベルコントローラ１０８は、燃料電池電力システム内で内部処理パラメータを調整する。管理のためのシステム制御アルゴリズムおよび、すべてではないにしろほとんどの内部の処理の直接的な制御はこのシステムレベルコントローラ１０８上で動くリアルタイムコントロールソフトウェアによって実行される。
【００２０】
完全な独立型の動作を可能にするために、コントロールシステムは、好ましくは製品の中に埋め込まれる。このコントローラ１０８は、デスクトップまたはラップトップのＰＣ上で作動するラボ構成を用いてシステム制御から離脱するためのパスを提供し、およびユーザの介入なしにシステムがそれ自身を制御する手段を提供する。制御領域ネットワーク１００は、ユーザ接続ポートを介して他のコンピュータとインターフェースを行うさらなる機能を有する。システムレベルコントローラまたはエンジン制御ユニットモジュール１０８は、好ましくは、システムの挙動および動作の一次制御であると想定する。システムレベルコントローラ１０８は、プロジェクト専用のリアルタイムシステム制御である。
【００２１】
システムレベルコントローラまたはエンジン制御ユニット１０８は、内部のＣＡＮバス１０６上の他のＣＡＮモジュールを介するトランスデューサへのアクセスを有する。システムレベルコントローラ１０８はまた、システムにおけるその他のＣＡＮモジュールの機能的範囲内で捕捉されないそれら他のセンサおよびアクチュエータとの直接接続を可能にする。ある実施形態では、システムレベルコントローラまたはエンジン制御ユニットモジュール１０８に直接接続されるトランスデューサがいくつかの補助インターフェース回路を有し得、システムレベルコントローラまたはエンジン制御ユニット１０８のプロセッサとほぼ同様の形態で作動する。好ましくは、ほとんどのＩ／Ｏモジュールは、ＣＡＮバス１０６上で他のＩ／Ｏモジュールへ／から伝達される。Ｉ／Ｏモジュールは、燃料プロセッサ／燃料電池システムの処理側全体を通して、特定の制御機能専用のモジュールである。
【００２２】
システムを動かすために必要な制御機能はシステムレベルコントローラまたはエンジン制御ユニット１０８上で実行される。コントローラ１０８は、好ましくは、リアルタイムの、多重タスクのスケジューラ／オペレーティングシステム（ＲＴＯＳ）を使用する。ＲＴＯＳは、好ましくは、予想される自動車顧客の要求への適用におけるＯＳＥＫ／ＶＤＸのスペックを満たす。ＲＴＯＳの実行はまた、リアルタイムの動作、故障許容および回復、ならびに顧客／システム安全を強化する。
【００２３】
システムレベルコントローラまたはエンジン制御ユニット１０８は、好ましくは、システムのその他のＩ／Ｏモジュールおよびセンサによってレポートされるすべてのアラーム状態を処理する。システムレベルコントローラ１０８は、そのように構成されると、データのログ（ｄａｔａ  ｌｏｇｇｉｎｇ）を実行する機能および接続機能を有する。レポートされた状況は、次に、ゲートウェイモジュール１１８を介して外界へ伝えられ得る。
【００２４】
ある実施形態では、システムレベルコントローラまたはエンジン制御ユニット１０８はまた、その他のネットワーク化された、またはＣＡＮベースの、システム１２６への専用通信ブリッジとして働く。このことは、他の製品で製造されたコンポーネントをオリジナル装置とするシステムを使用しての同期製品レベル制御を可能にする。
【００２５】
内蔵ＣＡＮポートを有するマイクロコントローラは、このモジュール１０８にインテリジェンスを提供する。２つのＣＡＮポートによってモジュール１０８は他のＣＡＮシステムとの通信が可能となる。システムレベルコントローラ１０８は、選択的なＲＯＭモニターデバッグのために、外部ＲＡＭ機能を、好ましくはその下側に有する。
【００２６】
本発明の別の実施形態は、燃料電池または燃料電池スタック１０４、燃料電池リフォーマ１１４、および電池電圧モニタリングＩ／Ｏモジュール１０２を含む。電池電圧モニタ１０２は動作の範囲にわたって、電池電圧を測定する。好ましくは、電池電圧モニタ１０２は、ＣＡＮ可能でありかつ独立型ユニットとして動作し得る。独立型の動作は、電池電圧モニタ１０２が独立型であり、好ましくは標準のＲＳ−２３２シリアル接続を介してＰＣに接続されることを要求する。電池電圧モニタリングＩ／Ｏモジュール１０２は、燃料電池スタック１０４のエンドプレートに直接マウントするように設計され、カスタムハーネスまたはブレークアウトボード（ｂｒｅａｋ  ｏｕｔ  ｂｏａｒｄ）によって、個々の燃料電池スタック膜電池（ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌ  ｓｔａｃｋ  ｍｅｍｂｒａｎｃｅ  ｃｅｌｌｓ）またはセルペア（ｃｅｌｌ  ｐａｉｒ）とインターフェースし得る。
【００２７】
１つの実施形態では、電池電圧モニタ１０２は、１６チャネルの４つのバンクに編成される最大６４のチャネル、すなわち１２８のセルペアを有する。各電池電圧チャネルは、プログラム可能なアラーム閾値を有し、その閾値は、アラーム状態の任意の組み合わせおよび／またはアラーム状態の任意の継続期間においてアラーム出力との接触を起動させるように構成され得る。
【００２８】
電池電圧チャネルは、選択された制御領域ネットワーク、ＣＡＮバス１０６、またはＲＳ−２３２シリアル接続を介して、電池電圧、全体のスタック電圧および／またはアラーム信号をシステムレベルコントローラ１０８またはＰＣに伝え得る。このモニタリングシステムは、過剰な負荷によるスタックの膜の損傷から燃料電池スタック１０４を保護する。好ましくは、電池電圧モニタＩ／Ｏモジュール１０２は、６４のチャネル全体で３０Ｈｚの最小スキャン速度を採用し、１チャネルあたり５ｍＶの解像度（０から２．５Ｖ、±２００Ｖの最大通常モード）を有する。さらに、電池電圧モニタＩ／Ｏモジュール１０２は、要求されると、個々のセル（ペア）および全体のスタック電圧をレポートし、燃料電池１０４の寿命がある間の性能データおよび使い切った後の燃料電池１０４の分析を含む、使用時のスタックの負荷のヒストグラムおよび使用時間を追跡し記憶する。電池電圧モニタ１０２の固有のサイズおよびフレキシビリティによって、異なるサイズの燃料電池スタック１０４に適用するためにカスタマイズされて製造することが可能である。
【００２９】
電池電圧モニタ１０２が燃料電池電力システム分散制御ネットワーク１００の部分であり、好ましくは、ＣＡＮバス１０６に接続されているとき、電池電圧モニタＩ／Ｏモジュール１０２によって集められたまたは生成された任意のデータは、制御領域ネットワーク１０６に接続されるすべての他のＩ／Ｏモジュールにとって利用可能にされる。そのデータは、Ｉ／Ｏモジュールによって局所的にアクセスされ得るが、好ましくは、システムレベルコントローラ１０８またはＣＡＮバス１０６に沿ったその他のユーザインターフェースロケーションにおいてアクセスされ得る。システムレベルコントローラ１０８は、電池電圧モニタＩ／Ｏモジュール１０２およびその他任意の制御領域ネットワークにネットワーク化されるＩ／Ｏモジュールによって送信されるデータを処理する。
【００３０】
燃料電池電力システム分散制御ネットワーク１００のある実施形態は、一般的Ｉ／Ｏモジュール１２４を含み得る。一般的Ｉ／Ｏモジュール１２４は、一般的なアナログ出力だけでなく、受動低域ＲＣ入力フィルタリングを有する一般的なアナログ入力およびデジタル後フィルタリングロジックを有する。一般的Ｉ／Ｏモジュール１２４はまた、オプトアイソレートさせる（ｏｐｔｏｉｓｏｌａｔｅｄ）、ＤＣ／低速度、アクティブロー、ソリッドステートリレーデジタル入力または出力、およびオプトアイソレートさせる（ｏｐｔｏｉｓｏｌａｔｅｄ）、ＤＣ／低速度、アクティブロー、ソリッドステートリレーデジタル入力または出力を有する。さらに、一般的Ｉ／Ｏモジュール１２４はパルス幅モジュレータチャネルのアクティブローの側面スイッチをすべてのチャネル上に有し得、ならびにすべてのチャネルに対して要求される１２から２４Ｖのユーザ供給のＤＣトランスデューサ電力、および加熱防止ヒートシンク／ＰＣＢを有し得る。
【００３１】
システムレベルコントローラ１０８は、フェイルセーフシステムの開始およびシャットダウンを有するプロジェクト専用のリアルタイムシステム制御である。システムレベルコントローラ１０８は、（１２から２４ＶＤＣのユーザ供給のＤＩＯ電力の）ユーザインターフェース／パネル１１０の相互作用およびパートナーシステムのＣＡＮブリッジ１２８の機能を有する。このシステムレベルコントローラ１０８は、オプトアイソレートさせるアクティブローのデジタル入力および出力をそれぞれさらに有する。
【００３２】
１つの実施形態では、一般的Ｉ／Ｏモジュール１２４が低電力アナログ入力および出力チャネル、リレーの起動のための高電力デジタル入力および出力チャネル、および燃料電池電力システム制御のためのモータおよびバルブの起動のためのパルス幅変調チャネルを提供する。一般的Ｉ／Ｏモジュール１２４は、何の特定の制御機能も提供しない他のＣＡＮシステムＩ／Ｏモジュールとは幾分異なる。この一般的Ｉ／Ｏモジュール１２４は、制御領域ネットワーク１０６のその他のモジュールの範囲下では捕捉できない、トランスデューサによって要求される任意の標準的な、低電圧の入力または出力を処理し得るという意味の一般的Ｉ／Ｏモジュールである。
【００３３】
トランスデューサに必要な電力を一般的Ｉ／Ｏモジュール１２４を介してルーティングすることによって、応用における高度なフレキシビリティが達成される。このことによって、システムの設計者は１２から２４ＶＤＣの動作範囲内で、利用可能なセンサおよびアクチュエータの最も適切なものを選択し得る。電力供給をＩ／Ｏモジュールにルーティングするだけでよいことから、コスト削減がまた達成される。このＩ／Ｏモジュールは、次に、供給された電力を個々のトランスデューサに分配する。しかし、一般的Ｉ／Ｏモジュール１２４は、通常マスフローコントローラによって要求される電流レベルの直接処理のために典型的には装備されないことに留意すべきである。
【００３４】
パルス幅変調およびリレーならびに一般的Ｉ／Ｏモジュール１２４および１３４は、特別な放熱を必要とするという点でその他のＣＡＮシステムＩ／Ｏモジュール１０２とは幾分異なる。したがって、処理キャビネット内では過熱に対してより影響を受けやすい。しかし、この事実はまた、設計者が電力の要求条件をさらに明確にする助けとなる。ある実施形態では、このＩ／Ｏモジュール１３４が単に５０Ｗのエネルギーしか放散し得ず、約２５０Ｗのアクチュエータ電力のためだけのコンジットとして働く。このことは、システム内の寄生負荷のソースを強調するのに役立ち、その寄生負荷の多くは、パルス幅変調およびリレーＩ／Ｏモジュール１３４に加えられる。
【００３５】
一般的Ｉ／Ｏモジュール１２４は、燃料電池電力システムの処理側内に簡単にマウントするように設計される。小さいＩ／Ｏモジュールパッケージが、入力および出力に高密度コネクタを使用することにより得られる。一般的Ｉ／Ｏモジュール１２４は、アナログ入力チャネル、アナログ出力チャネル、リレーレベル入力および出力チャネル、ならびにソレノイドレベルのパルス幅に変調される出力チャネルを有する。デジタルの、パルス幅に変調される出力は、ソレノイドバルブの作動に必要な電力レベルを満たすように設計される。リレーチャネルは、使用されるタイプのソレノイドに継続的に電力を供給するのに十分な電力を処理し得る。パルス幅変調チャネルは、高電流モータが使用され得るが、小さいブラシモータおよびトルクモータを処理し得る。
【００３６】
各チャネルは、プログラム可能なアラーム閾値を有し、その閾値は、出力が制御ソフトウェアの限界を超えることによって、または入力が電圧の限界を超えることによってトリガされるアラーム状態の任意の組み合わせまたはアラーム状態の持続期間に対してリレー接触を作動するように構成され得る。Ｉ／Ｏモジュールは、定期的なベースかまたはポーリング時ベースかのいずれかで、システムレベルコントローラ１０８および／またはその他の関係するＩ／Ｏモジュール１０２とＩ／Ｏデータをやり取りする。モジュールＩ／Ｏコネクタが誤って取り替えられていないかを確実にするためのチェックを含む、接続の完全性が起動の前に検出される。
【００３７】
別の実施形態では、燃料電池電力システムのリフォーマ側に典型的に見いだされるＫタイプの熱電対温度を計測するために、高温熱電対Ｉ／Ｏモジュール１１２が提供される。高温熱電対Ｉ／Ｏモジュール１１２は、低温サーミスタＩ／Ｏモジュール１３２と機械的に相互に交換可能に設計される。
【００３８】
これらの温度Ｉ／Ｏモジュール１１２および１３２は、比較的単純であるが、パッシブアナログコンポーネントおよびデジタルアルゴリズムの両方による温度測定のフィルタリングなどのいくつかの高度な特徴を提供する。高価で融通性のない熱電対ワイヤをシステムレベルコントローラ１０８にまで遡ってルーティングするよりも、熱電対そのものからＩ／Ｏモジュール１１２および１３２までのみのルーティングを必要とすることによって、コスト削減が獲得される。高価な熱電対および熱電対ワイヤが安価なサーミスタ技術に置き換えられる。代わりに、温度データはデジタルでＣＡＮバス１０６を介してシステムレベルコントローラ１０８に送信され、信号対雑音のロバスト性を高め、実施コストを減らす。
【００３９】
高温熱電対Ｉ／Ｏモジュール１１２は、好ましくは、燃料電池電力システムの処理側内に簡単にマウントするように設計される。小さいＩ／Ｏモジュールパッケージが、入力に高密度コネクタを使用することによって得られる。高温Ｉ／Ｏモジュール１１２は、特に、温度測定のために設計される、複数のＫタイプの熱電対入力チャネルを有する。Ｉ／Ｏモジュール１１２はまた、それ自身の温度をモニタし得る。
【００４０】
各チャネルは、プログラム可能なアラーム閾値を有し、その閾値は、温度の限界を超えることによってトリガされる任意のアラーム状態の組み合わせおよび／またはアラーム状態の持続時間に対してリレー接触を作動するように構成され得る。温度Ｉ／Ｏモジュール１１２および１３２は、定期的なベースかまたはポーリング時ベースかのいずれかで、システムレベルコントローラ１０８および／またはその他の関係するＩ／ＯモジュールとＩ／Ｏデータをやり取りする。
【００４１】
熱電対接続の完全性は、起動の前に自動的にチェックされる。高温Ｉ／Ｏモジュール１１２はまた、高温熱電対Ｉ／Ｏモジュールコネクタが誤って低温サーミスタＩ／Ｏモジュールコネクタと取り替えられていないことを確実にするためのチェックを行う。
【００４２】
さらに別の実施形態では、燃料電池電力システムの燃料電池側で典型的に見いだされる低温の測定のために、低温サーミスタＩ／Ｏモジュール１３２が提供される。低温サーミスタＩ／Ｏモジュール１３２は、特に、機械的に高温熱電対Ｉ／Ｏモジュール１１２と相互に交換可能に設計される。さらに別の実施形態では、パルス幅変調およびリレーモジュール１３４に、燃料電池プロセッサシステム制御のためのかぎとなる機能を、中間の電力を要求する値およびモータ作動の様態で提供する。
【００４３】
アクチュエータに対する電力要求をモジュールそのものからルーティングすることによって、高度の用途におけるフレキシビリティが獲得される。このことによって、システム設計者は、１２から２４ＶＤＣの作動範囲内で、利用可能なバルブおよびブラシモータの最も適切なものを選択し得る。電力供給をモジュールへのみルーティングするだけでよいことから、コスト削減もまた得られる。このモジュールは次に電力を制御されたアクチュエータに分配する。
【００４４】
パルス幅変調およびリレーモジュール１３４は、燃料電池電力システムの処理側内に簡単にマウントするように設計される。モジュール上のパルス幅変調チャネルを介して送られる高電力に対し特別な接続が提供される。リレー出力のために高密度のコネクタを使用して、小さいモジュールパッケージが保持される。
【００４５】
パルス幅変調およびリレーモジュール１３４は、複数のリレーチャネルおよびパルス幅変調チャネルを有する。リレーチャネルは、使用されるタイプのソレノイドに継続的に電力を供給するために十分な電流を処理し得る。（合計４つのチャネルがあるにもかかわらず）パルス幅変調チャネルが、各モジュール毎に１回、高電流モータを使用し得るが、小さいブラシモータおよびトルクモータを処理し得る。あるいは、パルス幅変調及びリレーモジュール１３４の機能性は、一般的Ｉ／Ｏモジュールなどの別のモジュールに組み込まれ得る。
【００４６】
低温サーミスタＩ／Ｏモジュール１３２は、燃料電池電力システムの処理側内に簡単にマウントするように設計される。入力に高密度コネクタを使用して、小さいＩ／Ｏモジュールパッケージが獲得される。低温Ｉ／Ｏモジュール１３２は、特に、種々の抵抗の測定のために設計される複数のサーミスタ入力チャネルを含む。
【００４７】
各チャネルは、プログラム可能な閾値を有し、その閾値は、温度の限界を越えることによってトリガされるアラーム状態の任意の組み合わせおよび持続期間に対し、リレー接触を作動するように設計し得る。温度Ｉ／Ｏモジュール１１２および１３２は、定期的なベースかまたはポーリング時ベースかのいずれかで、システムレベルコントローラ１０８および／またはその他の関係するＩ／Ｏモジュールに、温度データをレポートする。
【００４８】
サーミスタの接続の完全性は、起動の前に自動的にチェックされる。Ｉ／Ｏモジュールはまた、低温サーミスタＩ／Ｏモジュールコネクタが誤って高温熱電対Ｉ／Ｏモジュールコネクタと取り替えられていないことを確実にするためのチェックを行う。
【００４９】
さらに別の実施形態は、ゲートウェイＩ／Ｏモジュール１１８を提供し、ＴＣＰ／ＩＰ通信１２０ならびに燃料電池電力システムにおけるすべての内部的処理パラメータおよびシステム全体のデータのログを可能にする。ゲートウェイＩ／Ｏモジュール１１８は、フィードバック、処理制御、ならびに診断およびデバッグの目的のために、他のシステムとの通信ならびにＴＣＰ／ＩＰ１２０およびインターネット１３０を介する「外界」との通信を提供する。選択的に、この要求を有する任意のシステムのための、別個のグラフィックユーザインターフェースＩ／Ｏモジュール１１６をホストすることも可能であり得る。
【００５０】
２つの機能は非常に緊密に結び付けられるので、好ましくは、１つのゲートウェイＩ／Ｏモジュール１１８は、データのログおよび通信の両方の機能を有する。通信は、ＴＣＰ／ＩＰ１２０、シリアル１２２（標準）、および燃料処理システムと他の製品とを接続するＣＡＮバス１０６の接続性などを含む、様々な選択肢が利用可能である。非常に小さい、例えば、ＲＳ−２３２とＲＳ−４８５との間のサードパーティプロトコルブリッジ、またはＣＡＮと任意のその他の産業フィールドバス技術、家電ネットワーク技術、あるいは無線通信技術との間でさえ、サードパーティプロトコルブリッジを使用して、ほとんどの他のプロトコルが、場当たりに追加され得る。
【００５１】
システムのシステムレベルコントローラまたはエンジン制御ユニット１０８によるリアルタイムのシステム制御を含まないユーザフレンドリーなインターフェースの要求の可能性を予測して、ゲートウェイモジュール１１８がシステムと外界との同期通信オーバーヘッドをオフロードする。ゲートウェイモジュール１１８は、遠隔モニタリングのためおよび埋め込み式ソフトウェアの更新機能のために、別個のグラフィックユーザインターフェースシステム１１６と接続が可能であるか、または、ローカルウェブサーバをホストすることさえ可能であるかのいずれかである。
【００５２】
別の実施形態では、ゲートウェイモジュール１１８が、フォールトリレー（ｆａｕｌｔ  ｒｅｌａｙ）機能を有さないただ１つのシステムモジュールである。これは、システムセキュリティの特徴である。モジュール１１８の機能はまた、ＣＡＮバス１０６のデータの流れのトレース、バスロードの統計の提供、特定のメッセージのデータセグメントの閲覧、オフライン評価のためのメッセージ記録、およびバスラインのエラーフレームのモニタリングを含み得る。さらなる別のものとして、モジュール１１８は、システムコントローラＣＰＵ／ＥＣＵ１０８などの別のモジュールに統合され得る。
【００５３】
燃料電池電力システム分散制御ネットワーク１００の別の用途は、図２および３に示す交通産業におけるものである。システムは、バス１５０、車１６０およびその他の乗り物への電力供給のために実施され得る。簡略に表される燃料電池電力システム分散制御ネットワーク１６２は、エンジンおよびその他の電力源が実用化されるところで、多くの同様な方法において使用され得る。
【００５４】
図４から７を見ると、別の実施形態の燃料電池電力システム分散制御ネットワークが示される。図４から７では、図１と同じ参照番号がそれらの図の同様の要素に対応する。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】図１は、本発明による、燃料電池電力システム分散制御ネットワークの簡略図である。
【図２】図２は、燃料電池電力システム分散制御ネットワークを有するバスの側面図である。
【図３】図３は、燃料電池電力システム分散制御ネットワークを有する車の概略図である。
【図４】図４は、燃料電池スタックおよびシステムのモニタリングおよび制御のためのＣＡＮバスネットワークに動作可能に接続されるエンジン制御ユニットまたはシステムレベルコントローラの簡略図である。
【図５】図５は、エンジン制御ユニットまたはシステムレベルコントローラに動作可能に接続されるユーザ制御パネルが追加された、図４と同じものである。
【図６】図６は、燃料電池スタックに動作可能に接続されるリフォーマが追加された、図５と同じものである。
【図７】図７は、ＣＡＮバスネットワークに動作可能に接続されるＩ／Ｏモニタが追加された、図６と同じものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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