СИСТЕМА ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМОЙ
FUEL CELL SYSTEM AND CONTROL METHOD OF SYSTEM

ОТСЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[0001] Настоящая заявка заявляет о приоритете японской патентной заявки Р2014-231982, поданной 14 ноября 2014 г., полнота раскрытия которой включается в настоящую заявку путем ссылки.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0002] Настоящее изобретение относится к системе топливных элементов и способу контроля системы топливного элемента.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0003] В соответствии с описанием, приведенным в публикации WO 2010/073383, предлагаемая система топливных элементов производит оценку распределения содержания воды в ячейке топливного элемента и, основываясь на результате оценки, ограничивает электрический ток, получаемый от топливного элемента. Оценка может основываться, например, на температуре охлаждающей воды топливного элемента.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0004] Однако повышение температуры охлаждающей воды происходит с задержкой относительно действительного состояния высыхания единичных элементов в топливном элементе во время продолжительной работы с высокой нагрузкой. В указанном выше предшествующем уровне техники возможно соответственно применение ограничения тока после высыхания единичных элементов в топливном элементе. Это может привести к неэффективному регулированию и к увеличению количества выделяемого тепла в топливном элементе. Это вызывает проблему, которая состоит в том, что происходит высыхание единичных элементов в топливном элементе, и возникает сложность восстановления состояния электролитической мембраны до достаточного влажного состояния.
[0005] Для решения по меньшей мере части из указанных выше проблем изобретение может быть осуществлено по любому из указанных далее аспектов.
[0006] (1) Согласно первому аспекту изобретения предлагается система топливных элементов, имеющая в составе топливный элемент. Система топливных элементов может содержать измеритель сопротивления, выполненный с возможностью измерять сопротивление топливного элемента; и ограничитель тока, выполненный с возможностью ограничения выходного тока топливного элемента с использованием уровня ограничения. Ограничитель тока может изменять уровень ограничения на основании измеренного значения сопротивления. По сравнению с изменением температуры охлаждающей воды изменение сопротивления в ответ на высыхание топливного элемента происходит быстрее. Система топливных элементов в соответствии с данным аспектом соответственно позволяет применить ограничение тока до высыхания топливного элемента. В результате происходит предотвращение увеличения выделения тепла топливного элемента во время продолжительной работы с высокой нагрузкой. Соответственно система топливных элементов согласно данному аспекту, предотвращает высыхание топливного элемента во время продолжительной работы с высокой нагрузкой.
[0007] (2) В системе топливных элементов в соответствии с аспектом, указанным выше, когда измеренное значение сопротивления равно второму значению сопротивления, которое выше первого значения сопротивления, ограничитель тока может установить более низкий уровень ограничения, чем уровень ограничения при сопротивлении, равном первому значению сопротивления, при условии постоянства температуры. Система топливных элементов в соответствии с этим аспектом устанавливает более низкий уровень ограничения при более высоком сопротивлении и, таким образом, применяет более жесткое ограничение тока. Более высокое сопротивление приводит к более низкому содержанию воды в топливном элементе и к более высокой вероятности высыхания топливного элемента. Более жесткое ограничение тока соответственно устанавливается при более высокой температуре. Это позволяет эффективно предотвращать высыхание топливного элемента.
[0008] (3) Система топливных элементов в соответствии с аспектом, указанным выше, дополнительно может содержать датчик температуры, выполненный с возможностью измерения температуры топливного элемента. Ограничитель тока может дополнительно изменять уровень ограничения на основании измеренного значения температуры. Система топливных элементов в соответствии с этим аспектом контролирует высыхание топливного элемента на основании температуры топливного элемента. Это позволяет более эффективно предотвращать высыхание топливного элемента.
[0009] (4) В системе топливных элементов в соответствии с аспектом, указанным выше, когда измеренное значение температуры равно второму значению температуры, которое выше первого значения температуры, ограничитель тока может установить более низкий уровень ограничения, чем уровень ограничения при температуре, равной первому значению температуры, при условии постоянства сопротивления. Система топливных элементов в соответствии с этим аспектом устанавливает более низкий уровень ограничения при более высокой температуре топливного элемента и, таким образом, применяет более жесткое ограничение тока. Более высокая температура топливного элемента повышает вероятность высыхания топливного элемента. Более жесткое ограничение тока соответственно устанавливается при более высокой температуре топливного элемента. Это позволяет более эффективно предотвращать высыхание топливного элемента.
[0010] (5) Согласно другому аспекту изобретения предлагается способ контроля системы топливных элементов, имеющей в составе топливный элемент. Способ контроля системы топливных элементов может содержать измерение сопротивления топливного элемента; ограничение выходного тока топливного элемента с использованием уровня ограничения; и изменение уровня ограничения на основе измеренного сопротивления. Способ контроля системы топливных элементов в соответствии с этим аспектом предотвращает высыхание топливного элемента во время продолжительной работы с высокой нагрузкой, как и система топливных элементов в соответствии с аспектом, указанным выше.
[0011] Изобретение может осуществляться по любым аспектам, помимо аспектов, относящихся к системе топливных элементов, способа контроля системы топливных элементов, описанных выше, например транспортное средство, оснащенное системой топливных элементов, компьютерная программа, в которой осуществляются функции, соответствующие шагам, реализуемым в способе контроля системы топливных элементов, энергонезависимый носитель информации, на котором хранится программа.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0012] Фиг. 1 - схема, на которой схематически показана конфигурация транспортного средства на топливных элементах в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения;
Фиг. 2 - блок-схема, на которой показана конфигурация электрооборудования транспортного средства на топливных элементах;
Фиг. 3 - блок-схема, на которой показан процесс управления выходной мощностью, выполняемый блоком управления;
Фиг. 4 - график, иллюстрирующий процесс получения значения требуемого электрического тока;
Фиг. 5 - график, иллюстрирующий один из примеров карты ограничения тока;
Фиг. 6 - графическое изображение, показывающее график, который используется для построения карты ограничения тока;
Фиг. 7 - графическое изображение, показывающее график, который используется для построения карты ограничения тока;
Фиг. 8 - графическое изображение, показывающее график, который используется для построения карты ограничения тока;
Фиг. 9 - графическое изображение, показывающее график, который используется для построения карты ограничения тока;
фиг. 10 - график, иллюстрирующий сдвиг рабочей точки карты ограничения тока с использованием процесса управления выходной мощностью;
Фиг. 11 - график, иллюстрирующий сдвиг режима генерирования электроэнергии батареей топливных элементов с использованием процесса управления выходной мощностью; и
Фиг. 12 - график, иллюстрирующий сдвиг режима генерирования электроэнергии батареей топливных элементов, в качестве справочного примера.
Далее приведено описание вариантов осуществления изобретения.
ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
А. Общая конфигурация
[0013] Фиг. 1 - схема, на которой схематически показана конфигурация транспортного средства 10 на топливных элементах в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения. Транспортное средство 10 на топливных элементах - это четырехколесное транспортное средство, оснащенное системой 30 топливных элементов. Система 30 топливных элементов включает в себя батарею 40 топливных элементов, механизм 50 подачи и отвода газообразного водорода, механизм 60 подачи и отвода воздуха, механизм 70 циркуляции охлаждающей воды и блок управления 100.
[0014] Батарея 40 топливных элементов - это блок, который генерирует электроэнергию посредством электрохимической реакции водорода и кислорода, скомпонованный в виде пакета нескольких единичных элементов 41. Единичный элемент 41, главным образом, содержит анод, катод, электролит и разделители. Батарея 40 топливных элементов может представлять собой любые различные типы топливных элементов, но в соответствии с данным вариантом осуществления изобретения используется полимерный электролитический топливный элемент.
[0015] Механизм 50 подачи и отвода газообразного водорода выполнен с возможностью подавать и отводить газообразный водород к и от батареи 40 топливных элементов. В данном случае «газообразный водород» означает обогащенный водородом газ, который не ограничивается чистым водородом. Механизм 50 подачи и отвода газообразного водорода включает в себя емкость 51 водорода, магистраль 52 подачи газообразного водорода, циркуляционную магистраль 53 газообразного водорода и магистраль 54 отвода газообразного водорода.
[0016] Емкость 51 водорода выполнена с возможностью хранить газообразный водород под высоким давлением. Магистраль 52 подачи газообразного водорода представляет собой систему трубопроводов для подачи газообразного водорода, хранящегося в емкости 51 водорода, в батарею 40 топливных элементов. Циркуляционная магистраль 53 газообразного водорода представляет собой систему трубопроводов для циркуляции газообразного водорода, который не расходуется, но отводится из батареи 40 топливных элементов в магистраль 52 подачи газообразного водорода. Магистраль 54 отвода газообразного водорода представляет собой систему трубопроводов для соединения циркуляционной магистрали 53 газообразного водорода с магистралью 66 отвода воздуха (описывается ниже), предусмотренной в механизме 60 подачи и отвода воздуха.
[0017] Инжектор 55, служащий в качестве клапана подачи газообразного водорода, предусмотрен в магистрали 52 подачи газообразного водорода выше по потоку от точки присоединения X циркуляционной магистрали 53 газообразного водорода и магистрали 52 подачи газообразного водорода. Механизм 50 подачи и отвода газообразного водорода также включает в себя датчик давления 56. Датчик давления 56 предусмотрен для измерения давления газообразного водорода в магистрали 52 подачи и отвода газообразного водорода ниже по потоку от точки присоединения X.
[0018] Водородный циркуляционный насос 57 предусмотрен в магистрали 53 подачи газообразного водорода ниже по потоку от точки присоединения Y магистрали 54 отвода газообразного водорода и циркуляционной магистрали 53 газообразного водорода. Водородный циркуляционный насос 57 служит для обеспечения циркуляции газообразного водорода в циркуляционной магистрали 53 газообразного водорода. Выпускной клапан 58 предусмотрен в середине магистрали 54 отвода газообразного водорода. Выпускной клапан 58 открывается в случае повышения количества примесей в циркуляционной магистрали 53 газообразного водорода для того,чтобы отвести примеси в магистраль 66 отвода воздуха.
[0019] Механизм 60 подачи и отвода воздуха способен подавать и отводить воздух, который является газом-окислителем, к и от батареи 40 топливных элементов и включает в себя магистраль 61 подачи воздуха, магистраль 66 отвода воздуха и обводную магистраль 69. Магистраль 61 подачи воздуха и магистраль 66 отвода воздуха предусмотрены в качестве проточных магистралей, которые соответственно соединяют батарею 40 топливных элементов с впускным отверстием магистрали 61 подачи воздуха и с выходным отверстием магистрали 66 отвода воздуха. Очиститель воздуха (не показан) предусмотрен на впускном отверстии магистрали 61 подачи воздуха. Обводная магистраль 69 предусмотрена в качестве проточной магистрали, которая соединяет магистраль 61 подачи воздуха с магистралью 66 отвода воздуха.
[0020] Механизм 60 подачи и отвода воздуха также включает в себя воздушный компрессор 62. Воздушный компрессор 62 предусмотрен в середине магистрали 61 подачи воздуха для забора воздуха через впускное отверстие магистрали 61 подачи воздуха и для сжатия приточного воздуха. Месторасположение воздушного компрессора 62 находится ближе к впускному отверстию, чем к точке присоединения магистрали 61 подачи воздуха и обводной магистрали 69.
[0021] Механизм 60 подачи и отвода воздуха дополнительно содержит распределительный отсечной клапан 63. Распределительный отсечной клапан 63 предусматривается в точке присоединения магистрали 61 подачи воздуха и обводной магистрали 69 для разделения потока сжатого воздуха от воздушного компрессора 62 в следующие по потоку части магистрали 61 подачи воздуха и обводной магистрали 69. Данный клапан называется трехходовым клапаном. «Распределительный», в данном случае, включает в себя не только распределение расхода по двум ответвлениям, но и направление всего (100%) расхода в одно из двух ответвлений.
[0022] Механизм 60 подачи и отвода воздуха дополнительно включает в себя датчик давления 65, который служит в качестве устройства определения уровня давления. Датчик давления 65 определяет давление воздуха в магистрали 61 подачи воздуха между воздушным компрессором 62 и распределительным отсечным клапаном 63.
[0023] Механизм 60 подачи и отвода воздуха дополнительно включает в себя отсечной клапан 67 регулирования давления. Отсечной клапан 67 регулирования давления предусматривается в магистрали 66 отвода воздуха для регулировки площади проходного сечения магистрали 66 отвода воздуха в соответствии с положением клапана. Воздух, проходящий через отсечной клапан 67 регулирования давления, проходит через точку присоединения обводной магистрали 69 и магистрали 66 отвода воздуха и выводится через выпускное отверстие в атмосферу.
[0024] Механизм 70 циркуляции охлаждающей воды охлаждает батарею 40 топливных элементов и включает в себя радиатор 71, циркуляционный насос 72 охлаждающей воды, датчики 73 и 74 температуры воды и распределительный отсечной клапан 75. Распределительный отсечной клапан 75 предусмотрен в точке присоединения магистрали 76 циркуляции охлаждающей воды и обводного контура 77. Механизм 70 циркуляции охлаждающей воды обеспечивает циркуляцию охлаждающей воды между единичными элементами 41 и радиатором 71 и таким образом контролирует рабочую температуру единичных элементов 41, чтобы обойти радиатор 71 и обеспечить циркуляцию охлаждающей воды через обводной контур 77. Такая циркуляция охлаждающей воды позволяет достичь поглощения тепла от единичных элементов 41 и отвод тепла в радиаторе 71. Датчик 73 температуры воды предусмотрен на стороне выпуска батареи 40 топливных элементов в механизме 70 циркуляции охлаждающей воды для определения температуры охлаждающей воды на стороне выпуска. Датчик 73 температуры воды определяет температуру охлаждающей воды на стороне выпуска для того, чтобы определить температуру батареи 40 топливных элементов. Датчик 74 температуры воды предусмотрен на стороне выпуска радиатора 71 для определения температуры охлаждающей воды непосредственно на выпуске радиатора 71.
[0025] Работа системы 30 топливных элементов регулируется блоком управления 100. Блок управления 100 реализуется в виде микрокомпьютера, который включает в себя центральный процессор, оперативное запоминающее устройство и постоянное запоминающее устройство. Блок управления 100 получает различную информацию, включая выходной сигнал от датчика 112 положения акселератора, и формирует выходной запрос для батареи 40 топливных элементов на основе различной получаемой информации. Датчик 112 положения акселератора выполнен с возможностью определять рабочее положение педали 110 акселератора, управляемой водителем (далее - «положение акселератора»). Также блок управления 100 получает информацию о состоянии от различных датчиков, таких как датчики 56, 65 давления. Для того чтобы контролировать выходную мощность батареи 40 топливных элементов, блок управления 100 контролирует работу инжектора 55, работу соответствующих клапанов 58, 63 и 67, и работу насосов 57 и 72, а также работу воздушного компрессора 62, основываясь на запросе расчетной выходной мощности и входной информации о состоянии.
[0026] На фиг. 2 представлена блок-схема, на которой показана конфигурация электрооборудования транспортного средства 10 на топливных элементах. Транспортное средство 10 на топливных элементах дополнительно включает в себя дополнительную батарею 81, преобразователь 82 постоянного тока в постоянный ток, преобразователь 87 постоянного тока в постоянный ток для топливного элемента (FC), инвертор 83 постоянного тока в переменный ток и тяговый электромотор 85.
[0027] Батарея 40 топливных элементов соединяется с силовой линией DCL постоянного тока через преобразователь 87 постоянного тока в постоянный ток для топливного элемента (FC). Дополнительная батарея 81 соединяется с силовой линией DCL постоянного тока через преобразователь 82 постоянного тока в постоянный. Силовая линия DCL постоянного тока соединяется с инвертором 83 постоянного тока в переменный. Инвертор 83 постоянного тока в переменный в свою очередь соединяется с тяговым двигателем 85.
[0028] Дополнительная батарея 81 функционирует в качестве вспомогательного источника питания для батареи 40 топливных элементов и может быть реализована, например, в виде заряжаемой и разряжаемой никель-гидридной батареи или литий-ионной батареи. Преобразователь 82 постоянного тока в постоянный служит в качестве блока управления зарядкой/разрядкой, который управляет зарядкой и разрядкой дополнительной батареи 81, и в ответ на управляющий сигнал от блока управления 100 устанавливает уровень напряжения постоянного тока в силовой линии DCL до значения, подходящего для зарядки или разрядки. Если выходная мощность батареи 40 топливных элементов недостаточна относительно запроса выходной мощности, определенного в соответствии с положением акселератора, преобразователь 82 постоянного тока в постоянный задействует дополнительную батарею 81 на разрядку, чтобы компенсировать эту недостаточность. Преобразователь 87 постоянного тока в постоянный ток для топливного элемента (FC) служит в качестве блока управления зарядкой/разрядкой, который управляет зарядкой и разрядкой батареи 40 топливных элементов.
[0029] Инвертор 83 постоянного тока в переменный преобразует постоянный ток, получаемый от батареи 40 топливных элементов и дополнительной батареи 81, в переменный ток. Тяговый электромотор 85 может быть реализован в виде трехфазного двигателя и вырабатывать вращающий момент двигателя в соответствии с переменным током, получаемым от инвертора 83 постоянного тока в переменный. Когда ротор тягового электромотора 85 вращается под воздействием внешней силы, тяговый электромотор 85 действует в качестве генератора, генерирующего переменный ток (рекуперативная энергия). Рекуперативная энергия преобразуется в постоянный ток инвертором 83 постоянного тока в переменный и через преобразователь 82 постоянного тока в постоянный накапливается в дополнительной батарее 81.
[0030] Амперметр 91, вольтметр 92 и измеритель 93 сопротивления предусматриваются как периферические устройства для батареи 40 топливных элементов, для определения энергогенерирующего состояния батареи 40 топливных элементов. Для измерения сопротивления батареи 40 топливных элементов измеритель 93 сопротивления прикладывает напряжение переменного тока высокой частоты к батарее 40 топливных элементов. Результаты измерений амперметра 91, вольтметра 92 и измерителя 93 сопротивления направляются в блок управления 100.
[0031] Блок управления 100 оценивает значение выходного напряжения (режим генерирования мощности) батареи 40 топливных элементов на основании входного значения, измеренного вольтметром 92 (показан на Фиг. 2). Блок управления 100 также контролирует работу датчика состояния заряда (не показан) для определения состояния заряда дополнительной батареи 81. Основываясь на получаемой информации, блок управления 100 задает выходное напряжение преобразователю 87 постоянного тока в постоянный ток для топливного элемента (FC), преобразователю 82 постоянного тока в постоянный, и контролирует выходную мощность батареи 40 топливных элементов и дополнительной батареи 81. Блок управления 100 также контролирует работу инвертора 83 постоянного тока в переменный для регулирования частоты переменного тока и заставляет тяговый электромотор 85 вырабатывать требуемый крутящий момент.
В. Процесс управления выходной мощностью
[0032] Фиг. 3 - блок-схема процесса, на которой показан процесс управления выходной мощностью батареи 40 топливных элементов, выполняемый блоком управления 100. Процесс управления выходной мощностью выполняется в повторяющемся режиме после запуска стартера для начала работы батареи 40 топливных элементов. В начале процесса управления выходной мощностью блок управления 100 получает выходной запрос, т.е. запрос на выходную мощность батареи 40 топливных элементов, который определяется положением акселератора и различной другой информацией (шаг S100). Затем основываясь на полученном запросе на выходную мощность, блок управления 100 определяет параметры электроэнергии, которая должна быть выдана батареей 40 топливных элементов, и задает значение требуемого электрического тока батареи 40 топливных элементов для того, чтобы получить электроэнергию с определенными параметрами (шаг S200).
[0033] Фиг. 4 - график, иллюстрирующий процесс получения расчетного значения электрического тока на шаге S200. На Фиг. 4 изображена характеристическая кривая GI-P зависимости «ток - мощность» (I-P) батареи 40 топливных элементов, где мощность показана слева на оси ординат, а ток показан на оси абсцисс. На Фиг. 4 также изображена характеристическая кривая GI-V «ток - напряжение» (I-V), упоминаемая при описании шага S400 ниже, где напряжение указано справа на оси ординат, а ток указан на оси абсцисс.
[0034] В целом, характеристическая кривая «ток - мощность» топливного элемента изображена в виде выгнутой кривой. Характеристическая кривая «ток - напряжение» топливного элемента изображена в виде продольной (лежащей горизонтально) S-образной кривой так, что напряжение постепенно снижается по мере увеличения тока. Блок управления 100 заранее сохраняет информацию, относящуюся к характеристикам «ток - мощность» и «ток - напряжение» батареи 40 топливных элементов в качестве информации для контроля работы батареи 40 топливных элементов. Блок управления 100 формирует управляющее значение электрического тока батареи 40 топливного элемента, основываясь на информации, используемой для контроля в соответствии с подробным описанием ниже.
[0035] Блок управления 100 определяет параметры электроэнергии, которую необходимо получить на выходе из батареи 40 топливных элементов (требуемая мощность Pt), исходя из запроса выходной мощности, полученного на шаге S100. Затем блок управления 100 обращается к характеристике «ток - мощность» батареи 40 топливных элементов для определения значения требуемого электрического тока, которое необходимо получить от батареи 40 топливных элементов (требуемый ток It) для того, чтобы соответствовать требуемой мощности Pt.
[0036] Характеристика «ток - мощность» и характеристика «ток - напряжение» батареи 40 топливных элементов варьируются в зависимости от условий эксплуатации батареи 40 топливных элементов, например, в зависимости от рабочей температуры. Соответственно предпочтительно заранее сохранять в блоке управления 100 информацию для управления с учетом каждого типа условий эксплуатации и правильно отбирать информацию для управления в соответствии с текущими условиями эксплуатации батареи 40 топливных элементов.
[0037] Обращаясь снова к Фиг. 3, на шаге S300, выполняемом после шага S200, блок управления 100 реализует процесс ограничения тока для задания верхней границы значения требуемого тока It, определенного на шаге S200. Ниже приведено подробное описание процесса ограничения тока на шаге S300.
[0038] Блок управления 100 сначала получает значение сопротивления Z от измерителя 93 сопротивления (шаг S310), и получает значение температуры Т батареи 40 топливных элементов от датчика 73 температуры воды (шаг S320). Процессы шагов S310 и S320 могут выполняться параллельно, или процесс шага S320 может выполняться до процесса шага S310. Затем блок управления 100 обращается к карте ограничения тока, которая заранее сохранена в постоянном запоминающем устройстве, для расчета уровня R ограничения тока, соответствующего этим значениям сопротивления Z и температуры Т (шаг S330).
[0039] Фиг. 5 - график, иллюстрирующий один из примеров карты MP ограничения тока. Как показано, карта MP ограничения тока представляет собой данные в виде 3-мерной карты, включающей в себя температуру Т батареи топливных элементов, указанную на оси абсцисс, и уровень R ограничения тока, указанный на оси ординат, и построенными графиками вариаций уровня R ограничения тока в зависимости от температуры Т батареи топливных элементов с учетом сопротивления Z. Уровень R ограничения тока - это параметр, который используется для определения верхнего предельного значения требуемого тока It. Верхнее предельное значение требуемого тока It снижается по мере снижения уровня R ограничения тока. Это указывает на более жесткое ограничение тока. Данные карты включают в себя 4 графика G1-G4: график G1 для сопротивления Z=Za, график G2 для сопротивления Z=Zb, график G3 для сопротивления Z=Zc и график G4 для сопротивления Z=Zd. Например, Za, равно 100 [мΩ]. Значения Za, Zb, Zc и Zd увеличиваются в такой последовательности; т.е. Zd>Zc>Zb>Za.
[0040] На соответствующих графиках G1-G4 уровень R ограничения тока равен 100% при температуре Т батареи 40 топливных элементов, которая равна или ниже, например, чем Та. Уровень R ограничения тока постепенно снижается по мере увеличения температуры Т, которая превышает, например, Та. Среди графиков G1-G4 график G4, соответствующий наибольшему сопротивлению Z, имеет наибольшую степень снижения. Степень снижения постепенно уменьшается по мере снижения сопротивления Z (от графика G3, G2 к G1). Соответственно в ситуации, когда температура Т батареи 40 топливных элементов превышает значение Та, уровень R ограничения тока для фиксированной температуры уменьшается в последовательности G1, G2, G3 и G4. В соответствии с данным вариантом осуществления изобретения график G4 является графиком, на котором даже продолжительная работа батареи 40 топливных элементов при высокой нагрузке не приведет к высыханию единичных элементов 41 батареи 40 топливных элементов. Количество графиков, включенных в карту ограничения тока MP для данного варианта осуществления изобретения, равно четырем, но может использоваться любое их количество, превышающее единицу, например 2, 3, 5, 6…10 и т.д. 10.
[0041] На Фиг. 6-9 - графические изображения, на которых показаны графики, используемые для составления карты MP ограничения тока. Фиг. 6 - это график, полученный экспериментальным путем или путем моделирования, показывающий, что во время работы батареи 40 топливных элементов в устойчивом состоянии с выходным током 100 [А] при постепенном увеличении температуры Т батареи 40 топливных элементов происходит увеличение сопротивления, используемое как показатель высыхания единичных элементов 41. Фиг. 7 - это график, полученный таким же образом, что и график на Фиг. 6, во время работы батареи 40 топливных элементов в устойчивом состоянии с выходным током 190 [А]. Фиг. 8 - это график, полученный таким же образом, что и график на Фиг. 6, во время работы батареи 40 топливных элементов в устойчивом состоянии с выходным током 320 [А]. Фиг. 9 - это график, полученный таким же образом, что и график на Фиг. 6, во время работы батареи 40 топливных элементов в устойчивом состоянии с выходным током 475 [А].
[0042] На графиках, показанных на Фиг. 6-9, указаны переломные точки, в которых сопротивление Z резко изменяется при изменении температуры Т. На графике на Фиг. 6 показано, что при выходном токе 100 [А] сопротивление Z резко возрастает (это означает высыхание топливного элемента) в области с температурой Т, превышающей значение Td. На графике на Фиг. 7 показано, что при выходном токе 190 [А] сопротивление Z резко возрастает в области с температурой Т, превышающей значение Тс, которое меньше значения Td. На графике на Фиг. 8 показано, что при выходном токе 320 [А] сопротивление Z резко возрастает в области с температурой Т, превышающей значение Tb, которое меньше значения Тс. На графике на Фиг. 9 показано, что при выходном токе 475 [А] сопротивление Z резко возрастает в области с температурой Т, превышающей значение Та, которое меньше значения Tb. График G4 карты MP ограничения тока (показан на Фиг. 5) построен с использованием этих переломных точек Ta-Td, полученных из графиков, изображенных на Фиг. 6-9. Переломные точки Ta-Td увеличиваются в следующей последовательности: Td>Тс>Tb>Та.
[0043] График G4 на Фиг. 5 применительно к сопротивлению Z=Zd используется в качестве базового. Затем графики G3-G1 на Фиг. 5 построены следующим образом: когда сопротивление Z=Zc, уровень R ограничения тока при температуре Т применительно к сопротивлению Z=Zc увеличивается на 10% в сравнении с базовым уровнем; когда сопротивление Z=Zb, уровень R ограничения тока при температуре Т применительно к сопротивлению Z=Zb увеличивается на 20% в сравнении с базовым уровнем; и когда сопротивление Z=Za, уровень R ограничения тока при температуре Т применительно к сопротивлению Z=Za увеличивается на 30% в сравнении с базовым уровнем. Увеличение на 10%, 20% и 30% относительно соответствующих значений Zc, Zb и Za сопротивления Z определены экспериментальным путем или моделированием.
[0044] Возвращаясь к Фиг. 3, на шаге S330, блок управления 100 считывает из постоянного запоминающего устройства карту MP ограничения тока, изображенную на описанном выше Фиг. 5, и обращается к этой карте MP для определения уровня R ограничения тока в соответствии со значением сопротивления Z, введенном на шаге S310, и значением температуры Т, введенном на шаге S320. Когда сопротивление Z равно или ниже значения Za, блок управления 100 обращается к графику G1 для определения уровня R ограничения тока. Когда сопротивление Z равно или выше значения Zd, блок управления 100 обращается к графику G4 для определения уровня R ограничения тока. Когда сопротивление Z находится в диапазоне между значениями Zd и Za и представляет собой значение, отличное от значений сопротивления на графиках G1-G4, блок управления 100 вычисляет точку внутри разбиения между подходящими смежными графиками и сравнивает сопротивление Z с точкой внутри разбиения для определения уровня R ограничения тока.
[0045] После завершения шага S330 на Фиг. 3, для вычисления нового значения требуемого тока It* (шаг S340) блок управления 100 производит перемножение значения требуемого тока It, определенного на шаге S200, на уровень R ограничения тока, определенного на шаге S330. После завершения шага S340 блок управления 100 заканчивает процесс ограничения тока шага S300 и переходит к шагу S400.
[0046] На шаге S400 блок управления 100 обращается к характеристике «ток - напряжение» батареи 40 топливных элементов, изображенной на Фиг. 4, чтобы определить значение требуемого напряжения (требуемое напряжение Vt) батареи 40 топливных элементов, которое необходимо получить на выходе для нового значения требуемого тока It*, вычисленного на шаге S340. Точнее, как показано на Фиг. 4, в результате процесса ограничения тока на шаге S300 значение требуемого тока смещается со значения требуемого тока It, соответствующего требуемой мощности Pt, чтобы соответствовать выходному запросу на новое значение требуемого тока It*, определенное путем перемножения на значение ограничения тока. На шаге S400 блок управления 100 считывает требуемое напряжение Vt, соответствующее новому значению требуемого тока It* на характеристической кривой GI-V «ток - напряжение» (I-V).
[0047] После завершения шага S400 на Фиг. 3 блок управления 100 реализует контроль выходной мощности, отправляя команду на преобразователь 87 постоянного тока в постоянный ток для топливного элемента, чтобы выполнить контроль батареи 40 топливных элементов в части выдачи требуемого напряжения Vt и выдачи нового требуемого тока It*, вычисленного на шаге S340 (шаг S500). Блок управления 100 соответственно служит в качестве ограничителя тока. Блок управления 100 повторяет выполнение шагов S100-S500 до тех пор, пока не прекратится функционирование транспортного средства 10 на топливных элементах (шаг S600). Когда прекратится функционирование транспортного средства 10 на топливных элементах (шаг S600: ДА), блок управления 100 прекращает процесс контроля выходных данных.
[0048] Фиг. 10 - график, иллюстрирующий сдвиг рабочей точки карты MP ограничения тока за счет описанного выше процесса контроля выходных данных. В первоначальном состоянии, когда батарея 40 топливных элементов находится в достаточно увлажненном состоянии и имеет сопротивление Z, равное или ниже значения Za (например, 100 [мΩ]), график G1 используется для контроля даже в случае увеличения температуры Т, указывающей на температуру охлаждающей воды батареи 40 топливных элементов. Это обеспечивает высокий уровень R ограничения тока и мягкое ограничение тока.
[0049] Продолжительная работа батареи 40 топливных элементов с высокой нагрузкой поддерживает высокую температуру батареи 40 топливных элементов и приводит к высыханию единичных элементов 41, что увеличивает сопротивление Z. Когда сопротивление Z превышает 100 [мΩ], уровень R ограничения тока регулируется, чтобы ограничить значение в точке внутри разбиения между графиками G1 и G2. Например, если сопротивление Z увеличивается со 100 [мΩ] до 105 [мΩ] при неизменной температуре Т, рабочая точка смещается из рабочей точки Р1 на графике G1 в рабочую точку Р2, чтобы снизить уровень R ограничения тока с Ra до Rb (<Ra), как показано на Фиг. 10. Это означает более жесткое ограничение тока.
[0050] Уровень R ограничения тока затем снижается по мере увеличения сопротивления Z. Когда сопротивление Z становится равным или выше значения Zd, рабочая точка сдвигается в рабочую точку Р3 на графике G4. Соответственно, высыхание единичных элементов 41 не происходит даже в случае продолжительной работы. В описании, приведенном выше, подразумевается, что температура Т топливного элемента снижается по мере увеличения сопротивления Z.
С. Преимущества варианта осуществления изобретения
[0051] Система 30 топливных элементов с конфигурацией, как указано выше, изменяет уровень R ограничения тока в соответствии с сопротивлением Z. Это позволяет ограничивать ток до начала высыхания единичных элементов 41 батареи 40 топливных элементов. В результате даже в случае продолжительной работы батареи 40 топливных элементов с высокой нагрузкой данная конфигурация предотвращает выделение тепла топливным элементом. Соответственно система 30 топливных элементов предотвращает высыхание топливного элемента во время продолжительной работы с высокой нагрузкой.
[0052] Фиг. 11 - график, иллюстрирующий сдвиг режима генерирования электроэнергии батареей 40 топливных элементов, выполняемый процессом управления выходной мощностью. На Фиг. 11 показаны характеристические кривые «ток - напряжение» (далее - «I/V характеристика») батареи 40 топливных элементов. Подразумевается, что батарея 40 топливных элементов работает в рабочей точке Q1 в условиях температуры Т батареи 40 топливных элементов, равной 80°С, и сопротивления Z, равного Za (например, 100 [мΩ]). Когда температура Т повышается от этого рабочего состояния, для ограничения электрического тока реализуется процесс управления выходной мощностью в соответствии с Фиг. 3. Ограничение тока в этот момент обеспечивает лишь незначительное снижение электрического тока. Продолжительная работа батареи 40 топливных элементов в условиях ограничения тока приводит к высыханию единичных элементов 41 и увеличивает наклон характеристической кривой I/V. В результате характеристическая кривая I/V изменяется с базовой кривой С1 на кривую С2 так, что рабочая точка сдвигается в рабочую точку Q2 на кривой С2. Наклон характеристической кривой IV находится в соответствии с сопротивлением Z. Сдвиг рабочей точки в точку Q2 увеличивает сопротивление Z. Процесс управления выходной мощностью реализуется с использованием карты MP ограничения тока в соответствии с Фиг. 5 для дальнейшего применения ограничения тока и сдвига рабочей точки в рабочую точку Q3 на кривой С2.
[0053] По сравнению с предыдущим уровнем техники сдвиг рабочей точки в точку Q3, основанный на значении сопротивления Z, является следствием применения ограничения тока по более раннему допущению о высыхании единичных элементов 41. По сравнению с предыдущим уровнем техники это сокращает возрастание выделяемого тепла и соответственно обеспечивает меньшее повышение температуры Т. Характеристическая кривая I/V затем изменяется с кривой С2 на кривую С3, так что рабочая точка сдвигается в рабочую точку Q4 на характеристической кривой I/V С3. Сдвиг рабочей точки в точку Q4 увеличивает сопротивление Z. Характеристическая кривая I/V затем изменяется с кривой С3 на кривую С4. Кривая С4 незначительно отличается от кривой С3. Это приводит к конвергенции изменений характеристик I/V и существенной стабилизации характеристик I/V для предотвращения повышения температуры Т. Как следует из графика на Фиг. 11, это предотвращает увеличение выделения тепла в топливном элементе даже во время продолжительной работы батареи 40 топливных элементов с высокой нагрузкой.
[0054] Фиг. 12 - график, иллюстрирующий сдвиг режима генерирования электроэнергии батареей топливных элементов в качестве справочного примера. В справочном примере показано использование ограничение тока, основанное только на температуре охлаждающей воды топливного элемента. Подразумевается, что батарея топливных элементов в рабочей точке S1 функционирует в условиях температуры батареи топливных элементов (температура охлаждающей воды), равной 80°С. Когда происходит увеличение температуры по сравнению с этим рабочим состоянием, выполняется ограничение электрического тока. Продолжительная работа батареи топливных элементов в условиях ограничения тока приводит к высыханию единичных элементов и увеличивает наклон характеристической кривой I/V. В результате характеристическая кривая I/V существенно изменяется с базовой кривой С11 на кривую С12, таким образом, что рабочая точка сдвигается в рабочую точку S2 на кривой С12. Результат изменения напряжения сдвигом рабочей точки из точки S1 в точку S2 и соответствующего значения тока (область прямоугольника Sa, S1, S2 и Sb) соответствует увеличению мощности, вырабатываемой топливным элементом. Температура батареи топливных элементов увеличивается с увеличением вырабатываемой мощности. Это приводит к применению дальнейшего более жесткого ограничения тока и сдвигу рабочей точки в рабочую точку S3 на кривой С12. Увеличение температуры охлаждающей воды задерживается относительно действительного высыхания единичных элементов. Соответственно в справочном примере показан более высокий рост температуры в сравнении с вариантом осуществления изобретения, указанным выше.
[0055] Продолжительная работа батареи топливных элементов в условиях ограничения тока приводит к высыханию единичных элементов и увеличивает кривизну характеристической кривой I/V. В результате характеристическая кривая I/V существенно изменяется с кривой С12 на кривую С13, так что рабочая точка сдвигается в рабочую точку S4 на кривой С13. Так повторяется цикл увеличения количества вырабатываемой мощности батареей топливных элементов, увеличения температуры охлаждающей воды и применения дальнейшего более жесткого ограничения тока (рабочая точка S5). Это приводит к дивергенции изменения состояния. В справочном примере продолжительная работа батареи топливных элементов с высокой нагрузкой, вероятно, приведет к высыханию единичных элементов батареи топливных элементов. Это затрудняет восстановление состояния электролитической мембраны до достаточного влажного состояния.
D. Модификации
* Модификация 1
[0056] В варианте осуществления изобретения, указанном выше, используется датчик 73 температуры воды, предусмотренный на стороне выхода батареи 40 топливных элементов в качестве устройства, определяющего температуру, которое определяет температуру топливного элемента. Однако датчик 73 температуры воды не является существенным и может быть заменен на датчик температуры воды на стороне входа батареи 40 топливных элементов, или на датчик температуры, определяющий непосредственно внутреннюю температуру батареи 40 топливных элементов.
В варианте осуществления изобретения, указанном выше, уровень R ограничения тока установлен 100% при температуре Т батареи топливных элементов, которая равна или меньше, например, чем Та. Когда сопротивление равно второму значению сопротивления, которое выше первого значения сопротивления в диапазоне температуры Т батареи топливных элементов выше, чем Та, уровень ограничения тока регулируется в сторону более низкого значения, чем уровень ограничения тока при сопротивлении, равном первому значению сопротивления, при условии постоянства температуры.
В соответствии с модификацией уровень ограничения тока может быть установлен ниже 100%, независимо от температуры батареи топливных элементов. В этой модификации, когда сопротивление равно второму значению сопротивления, которое выше первого значения сопротивления, уровень ограничения тока может регулироваться независимо от температуры батареи топливных элементов в сторону более низкого значения, чем уровень ограничения тока при сопротивлении, равном первому значению сопротивления, при условии постоянства температуры.
В варианте осуществления изобретения, рассмотренном выше, когда температура топливного элемента равна второму значению температуры, которое выше первого значения температуры, уровень ограничения тока регулируется в сторону более низкого значения, чем уровень ограничения тока при температуре топливного элемента, равной первому значению температуры, при условии постоянства сопротивления. В соответствии с модификацией, когда температура топливного элемента равна второму значению температуры, которое выше первого значения температуры, уровень ограничения тока может регулироваться в сторону идентичного значения или более высокого значения, чем уровень ограничения тока при температуре топливного элемента, равной первому значению температуры, при условии постоянства сопротивления.
Уровень ограничения тока может определяться независимо от температуры батареи топливных элементов.
* Модификация 2
[0057] В варианте осуществления изобретения используется измеритель 93 сопротивления в качестве устройства, измеряющего сопротивление. В соответствии с модификацией сопротивление может определяться на основе измерений, выполненных амперметром 91 и вольтметром 92.
* Модификация 3
[0058] В варианте осуществления изобретения, указанном выше, система топливных элементов устанавливается на транспортное средство. Однако система топливных элементов в соответствии с вариантом осуществления изобретения, рассмотренном выше, может устанавливаться на любой движущийся объект помимо транспортного средства, или может использоваться стационарно в здании, сооружении и т.д.
Часть функций, реализуемых программным обеспечением в варианте осуществления изобретения, указанном выше, может реализовываться аппаратно (например, с помощью интегральной схемы), а часть функций, реализуемых аппаратным обеспечением в варианте осуществления изобретения, указанном выше, может реализовываться программно.
[0059] Изобретение не ограничивается вариантами осуществления изобретения и модификациями, описанными выше, а может осуществляться в виде разнообразия конфигураций без отклонения от объема изобретения. Например, технические особенности какого-либо варианта осуществления изобретения и его модификаций, соответствующие техническим особенностям соответствующих аспектов, описанных в разделе «СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ», могут быть заменены или объединены соответствующим образом с целью частичного или полного решения проблем, описанных выше, или с целью частичного или полного достижения преимуществ, описанных выше. Составляющие части, за исключением тех, которые описаны в независимой формуле изобретения, среди составляющих частей какого-либо варианта осуществления изобретения и его модификаций являются дополнительными составляющими частями и соответственно могут исключаться.