УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ГЕНЕРИРОВАНИЕМ ЭНЕРГИИ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ГЕНЕРИРОВАНИЕМ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ТОПЛИВНОГО ЭЛЕМЕНТА
DEVICE FOR CONTROL OF ENERGY GENERATION AND METHOD FOR CONTROL OF ENERGY GENERATION FOR FUEL ELEMENT

Область техники
Настоящее изобретение относится к устройству управления генерированием энергии и способу управления генерированием энергии для топливного элемента, сконфигурированного для генерирования энергии посредством подачи топливного газа и окислительного газа.
Предшествующий уровень техники
Технология, описанная в нижеследующем патентном документе 1 - Японской патентной публикации № 5-151983, была ранее известна как устройство управления генерированием энергии для топливного элемента. В устройстве управления генерированием энергии, описанном в патентном документе 1, учтены задержка отклика топливного элемента вследствие нехватки подачи газа в переходном состоянии и тому подобное. В частности, скорость изменения тока, получаемого из топливного элемента, ограничена скоростью, которой может придерживаться топливный элемент, чтобы подавить снижение эффективности генерирования энергии топливного элемента.
Краткое изложение существа изобретения
В то же время, кроме нехватки подачи газа, одним из возможных факторов снижения эффективности генерирования энергии топливного элемента является указанное ниже. В частности, когда ток быстро извлекают из топливного элемента за короткое время, в низкотемпературной окружающей среде происходит, например, засорение воды в порах каталитического слоя катода и, тем самым, диффузионная способность кислорода снижается. Однако снижение эффективности генерирования энергии в этой низкотемпературной окружающей среде не учтено в устройстве управления генерированием энергии для топливного элемента, описанного в патентном документе 1. Соответственно, существует угроза того, что произойдет значительное снижение эффективности генерирования энергии в переходном состоянии, когда ток получают из топливного элемента в низкотемпературной окружающей среде.
Настоящее изобретение выполнено с учетом вышеупомянутой проблемы.
Задачей настоящего изобретения является ограничение скорости изменения целевого генерируемого тока, получаемого из топливного элемента на основе параметра рабочих условий, который соотнесен с рабочей температурой топливного элемента.
Устройство управления генерированием энергии для топливного элемента согласно первому аспекту настоящего изобретения содержит: блок вычисления целевой генерируемой энергии, сконфигурированный для вычисления целевой генерируемой энергии топливного элемента на основе условия нагрузки устройства электрической нагрузки, подключенного к топливному элементу; блок вычисления целевого генерируемого тока, сконфигурированный для вычисления целевого генерируемого тока, получаемого из топливного элемента, на основе целевой генерируемой энергии; блок вычисления предельного значения скорости изменения тока, сконфигурированный для вычисления предельного значения для скорости изменения целевого генерируемого тока на основе параметра рабочих условий, соотнесенного с рабочей температурой топливного элемента; и блок ограничения тока, сконфигурированный для ограничения целевого генерируемого тока так, чтобы скорость изменения целевого генерируемого тока не превышала предельное значение, вычисленное блоком вычисления предельного значения скорости изменения тока.
Способ управления генерированием энергии согласно второму аспекту настоящего изобретения содержит этап, на котором ограничивают скорость изменения целевого генерируемого тока, получаемого из топливного элемента, на основе параметра рабочих условий, соотнесенного с рабочей температурой топливного элемента.
Устройство управления генерированием энергии для топливного элемента согласно третьему аспекту настоящего изобретения содержит: блок вычисления целевой генерируемой энергии, сконфигурированный для вычисления целевой генерируемой энергии топливного элемента на основе условия нагрузки устройства электрической нагрузки, подключенного к топливному элементу; блок вычисления целевого генерируемого тока, сконфигурированный для вычисления целевого генерируемого тока, получаемого из топливного элемента, на основе целевой генерируемой энергии; и блок ограничения тока, сконфигурированный для осуществления ограничения для генерирования энергии таким образом, что значение целевого генерируемого тока, определяемого для заданной требуемой нагрузки при низкотемпературном запуске, меньше, чем значение целевого генерируемого тока, определяемого для требуемой нагрузки при прогреве.
Способ управления генерированием энергии согласно четвертому аспекту настоящего изобретения содержит этапы, на которых: вычисляют целевую генерируемую энергию топливного элемента на основе условия нагрузки устройства электрической нагрузки, подключенного к топливному элементу; вычисляют целевой генерируемый ток, получаемый из топливного элемента, на основе целевой генерируемой энергии; вычисляют предельное значение для скорости изменения целевого генерируемого тока на основе параметра рабочих условий, соотнесенного с рабочей температурой топливного элемента; и ограничивают целевой генерируемый ток так, чтобы скорость изменения целевого генерируемого тока не превышала предельное значение, полученное посредством вычисления.
Устройство управления генерированием энергии для топливного элемента согласно пятому аспекту настоящего изобретения содержит: средство вычисления целевой генерируемой энергии для вычисления целевой генерируемой энергии топливного элемента на основе условия нагрузки устройства электрической нагрузки, подключенного к топливному элементу; средство вычисления целевого генерируемого тока для вычисления целевого генерируемого тока, получаемого из топливного элемента, на основе целевой генерируемой энергии; средство вычисления предельного значения скорости изменения тока для вычисления предельного значения для скорости изменения целевого генерируемого тока на основе параметра рабочих условий, соотнесенного с рабочей температурой топливного элемента; и средство ограничения тока для ограничения целевого генерируемого тока так, чтобы скорость изменения целевого генерируемого тока не превышала предельное значение, вычисленное средством вычисления предельного значения скорости изменения тока.
Согласно настоящему изобретению скорость изменения целевого генерируемого тока может быть ограничена с учетом условия разрешения засорения воды, вызванного ростом температуры внутри топливного элемента. Исходя из этого, значительное снижение эффективности генерирования энергии в переходном состоянии может быть предотвращено, даже когда топливный элемент генерирует энергию в низкотемпературной окружающей среде.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает конфигурацию системы топливных элементов, согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг.2 изображает обычную временную диаграмму, показывающую следующий результат фактической генерируемой энергии по отношению к целевой генерируемой энергии, когда ограничение наложено только на максимальное значение целевого генерируемого тока, получаемого из пакета топливных элементов;
Фиг.3 изображает временную диаграмму, показывающую следующий результат фактической генерируемой энергии по отношению к целевой генерируемой энергии, когда контроллер выполняет обработку управления генерированием энергии, используя настоящее изобретение.
Фиг.4 изображает блок-схему последовательности операций способа, показывающую последовательность операций обработки управления генерированием энергии, проводимой контроллером;
Фиг.5 изображает блок-схему контроллера для реализации нормального управления генерированием энергии, которое является управлением генерированием энергии в условиях движения;
Фиг.6 изображает блок-схему последовательности операций способа, показывающую схему нормального управления генерированием энергии;
Фиг.7 изображает блок-схему последовательности операций, показывающую подробности обработки вычисления целевой генерируемой энергии на этапе S201 на фиг.6;
Фиг.8 изображает диаграммы для вычисления требуемой генерируемой энергии на основе степени воздействия акселератора и скорости автомобиля;
Фиг.9 изображает блок-схему последовательности операций, показывающую подробности обработки вычисления фактической генерируемой энергии на этапе S202 на фиг.6;
Фиг.10 изображает блок-схему последовательности операций, показывающую подробности управления подачей газа на этапе S203 на фиг.6;
Фиг.11 изображает диаграммы для вычисления тока, определяющего газ на основе целевой генерируемой энергии и рабочей температуры пакета топливных элементов;
Фиг.12 изображает табличные данные для вычисления целевого давления газа на основе тока, определяющего газ;
Фиг.13 изображает табличные данные для вычисления целевой скорости потока воздуха на основе тока, определяющего газ;
Фиг.14 изображает графические данные для вычисления числа оборотов для указания компрессору на основе целевой скорости потока воздуха и целевого давления газа;
Фиг.15 изображает блок-схему последовательности операций, показывающую подробности обработки вычисления предельного значения скорости изменения тока на этапе S204 на фиг.6;
Фиг.16 изображает табличные данные для вычисления предельного значения для увеличивающегося изменения скорости изменения тока на основе рабочей температуры пакета топливных элементов;
Фиг.17 изображает блок-схему последовательности операций, показывающую подробности обработки вычисления максимального предельного тока на этапе S205 на фиг.6;
Фиг.18 изображает блок-схему последовательности операций, показывающую подробности обработки вычисления целевого генерируемого тока на этапе S206 на фиг.6;
Фиг.19 изображает пример способа вычисления для увеличения запаса целевой генерируемой энергии;
Фиг.20 изображает табличные данные для вычисления оцениваемой постоянной энергии на основе целевого генерируемого тока после ограничения;
Фиг.21 изображает вид, поясняющий пример способа вычисления для целевой генерируемой энергии после коррекции;
Фиг.22 изображает табличные данные для вычисления целевого генерируемого тока на основе целевой генерируемой энергии после корректировки;
Фиг.23 изображает блок-схему последовательности операций, показывающую подробности обработки ограничения тока на этапе S207 на фиг.6;
Фиг.24 изображает блок-схему последовательности операций, показывающую подробности обработки подавления колебаний энергии на этапе S208 на фиг.6;
Фиг.25 изображает характеристики низкочастотного фильтра;
Фиг.26 изображает блок-схему последовательности операций, показывающую подробности обработки вычисления целевого генерируемого напряжения на этапе S209 на фиг.6.
Описание предпочтительных вариантов
осуществления изобретения
Конкретный вариант осуществления настоящего изобретения будет подробно описан ниже со ссылкой на сопроводительные чертежи.
Фиг.1 изображает конфигурацию системы 100 топливных элементов согласно этому варианту осуществления. Система 100 топливных элементов может быть выполнена, например, как источник питания на гибридном электрическом автомобиле и сконфигурирована для подачи питания устройству электрической нагрузки, такому как приводной двигатель (за пределами системы 100 топливных элементов) и вспомогательная машина (внутри системы 100 топливных элементов) гибридного электрического автомобиля, и включает в себя пакет 1 топливных элементов, сконфигурированный из нескольких топливных элементов, сложенных вместе.
Каждый из топливных элементов, составляющих пакет 1 топливных элементов, включает в себя мембранный электрод, прикрепленный к корпусу, образованному таким образом, что топливный электрод (анод), принимающий подачу топливного газа, и окислительный электрод (катод), принимающий подачу окислительного газа, расположены лицевой стороной друг к другу с размещенной между ними мембраной из твердого полимерного электролита, мембранный электрод, прикрепленный к корпусу, проложен сепаратором. Разделитель каждого из топливных элементов, составляющих пакет 1 топливных элементов, содержит проход топливного газа со стороны анода для топливного газа, который протекает через него, и проход окислительного газа со стороны катода для окислительного газа, который протекает через него. Более того, так как топливный газ, содержащий водород, подают на сторону анода каждого топливного элемента и окислительный газ (воздух), содержащий кислород, подают на сторону катода каждого топливного элемента, то пакет 1 топливных элементов осуществляет генерирование энергии посредством электрохимических реакций, показанных ниже в формуле (1) и формуле (2).
Анод (топливный электрод): H<sub>2</sub>→2H<sup>+</sup>+2e<sup>~</sup>
(1)
Катод (окислительный электрод): 2H<sup>+</sup>+2e<sup>~</sup>+(1/2)O<sub>2</sub>→H<sub>2</sub>O
(2)
Кроме пакета 1 топливных элементов, сконфигурированного для осуществления генерирования энергии, система 100 топливных элементов, согласно этому варианту осуществления, также включает в себя систему подачи водорода, сконфигурированную для подачи топливного газа (в нижеследующем описании используют чистый водород в качестве топливного газа) пакету 1 топливных элементов, систему подачи воздуха, сконфигурированную для подачи воздуха, служащего окислительным газом, пакету 1 топливных элементов, систему охлаждения, сконфигурированную для охлаждения пакета 1 топливных элементов, устройство 2 управления энергией, сконфигурированное для управления получением энергии из пакета 1 топливных элементов, и контроллер 3 (устройство управления генерированием энергии), сконфигурированный для осуществления общего управления действиями в системе 100 топливных элементов.
Система подачи водорода включает в себя бак 4 для водорода, сконфигурированный для хранения водорода, служащего топливным газом, клапан 5 управления давлением водорода, сконфигурированный для регулирования давления водорода, подаваемого из бака 4 для водорода, эжектор 6, сконфигурированный для смешивания водорода, подаваемого из бака 4 для водорода, с рециркулирующим водородом, проход 7 циркуляции водорода, сконфигурированный для рециркуляции водорода, не потребленного в пакете 1 топливных элементов, спускной клапан 8 для водорода, сконфигурированный для отвода примеси, не использованной в реакциях в пакете 1 топливных элементов, датчик 9 температуры бака, сконфигурированный для детектирования температуры внутри бака 4 для водорода, датчик 10 давления бака, сконфигурированный для детектирования давления внутри бака 4 для водорода, датчик 11 температуры водорода на входе, сконфигурированный для детектирования температуры водорода на анодном входе пакета 1 топливных элементов, и датчик 12 давления водорода на входе, сконфигурированный для детектирования давления водорода на анодном входе пакета 1 топливных элементов.
В этой системе подачи водорода водород хранится в баке 4 для водорода, а температуру и давление внутри бака 4 для водорода измеряют датчиком 9 температуры бака и датчиком 10 давления бака соответственно. Водород под высоким давлением, извлеченный из бака 4 для водорода, подвергают управлению давлением клапаном 5 управления давлением водорода, подают в эжектор 6 и смешивают с водородом, проходящим через проход 7 циркуляции водорода, в эжекторе 6. Затем водород, смешанный в эжекторе 6, подают к аноду пакета 1 топливных элементов. Здесь датчиком 11 температуры водорода на входе и датчиком 12 давления водорода на входе соответственно детектируют температуру и давление водорода на анодном входе пакета 1 топливных элементов и передают в контроллер 3. После этого контроллером 3 осуществляют управление клапаном 5 управления давлением водорода на основе давления, измеренного датчиком 12 давления водорода на входе. В это время водород, отведенный из пакета 1 топливных элементов, обычно проходит в проход 7 циркуляции водорода, когда спускной клапан 8 для водорода закрыт. Однако спускной клапан 8 для водорода открывают, когда утечка воды (переполнение) или тому подобное происходит в пакете 1 топливных элементов или, например, когда рабочее давление пакета 1 топливных элементов должно быть снижено, так чтобы отвести водород, находящийся внутри прохода 7 циркуляции водорода и пакета 1 топливных элементов. Здесь рабочее давление пакета 1 топливных элементов является переменным. В частности, давление газа устанавливают подходящим образом в зависимости от выхода, получаемого из пакета 1 топливных элементов, или от его температуры.
Система подачи воздуха включает в себя компрессор 13, сконфигурированный для повышения давления и нагнетания воздуха, служащего окислительным газом, датчик 14 расхода воздуха, сконфигурированный для детектирования расхода воздуха, нагнетаемого из компрессора 13, проход 15 подачи воздуха, сконфигурированный для подачи воздуха, нагнетаемого из компрессора 13 в катод пакета 1 топливных элементов, датчик 16 давления воздуха на входе, сконфигурированный для детектирования давления воздуха на катодном входе пакета 1 топливных элементов, проход 17 отработанного воздуха, сконфигурированный для отвода воздуха из катода пакета 1 топливных элементов, и клапан 18 управления давлением воздуха, сконфигурированный для управления давлением воздуха в пакете 1 топливных элементов.
В этой системе подачи воздуха компрессор 13 принимает воздух из атмосферы и затем повышает давление и нагнетает принятый воздух. Воздух, нагнетенный из компрессора 13, измеряют датчиком 14 расхода воздуха, затем отправляют в проход 15 подачи воздуха и подают к катоду пакета 1 топливных элементов. В этом отношении датчик 16 давления воздуха на входе детектирует давление воздуха на катодном входе пакета 1 топливных элементов, и контроллер 3 управляет раскрытием клапана 18 управления давлением воздуха на основе детектированного давления.
Система охлаждения включает в себя циркуляционный насос 19 хладагента, сконфигурированный для циркуляции хладагента для охлаждения пакета 1 топливных элементов, датчик 20 температуры хладагента, сконфигурированный для детектирования температуры хладагента, отведенного из пакета 1 топливных элементов, и теплообменник 21, сконфигурированный для излучения тепла из циркулирующего хладагента для охлаждения.
В этой системе охлаждения хладагент для охлаждения пакета 1 топливных элементов циркулируют с помощью циркуляционного насоса 19 хладагента, и температуру хладагента, нагретого за счет поглощения тепла из пакета 1 топливных элементов, измеряют датчиком 20 температуры хладагента, затем хладагент отправляют в теплообменник 21 и охлаждают излучением тепла посредством теплообменника 21.
Устройство 2 управления энергией является преобразователем постоянного тока в постоянный ток (DC/DC) повышающе-понижающего типа. Находясь между пакетом 1 топливных элементов и устройством электрической нагрузки, таким как приводной двигатель за пределами системы, устройство 2 управления энергией управляет получением энергии из пакета 1 топливных элементов. В этом преобразователе DC/DC разные переключающие элементы задействованы для осуществления повышающего преобразования и понижающего преобразования, и требуемое напряжение может быть выведено в соответствии с продолжительностью включения сигнала управления, который прикладывают к переключающим элементам. Поэтому переключающими элементами управляют для выведения напряжения, равного или выше входного напряжения во время повышающего преобразования, тогда как переключающими элементами управляют для выведения напряжения, равного или ниже входного напряжения во время понижающего преобразования.
Более того, система 100 топливных элементов включает в себя датчик 22 тока, сконфигурированный для детектирования генерируемого тока пакета 1 топливных элементов, и датчик 23 напряжения, сконфигурированный для детектирования генерируемого напряжения пакета 1 топливных элементов. Значения детектирования датчика 22 тока и датчика 23 напряжения выводят в контроллер 3.
Контроллер 3 включает в себя микрокомпьютер, имеющий, например, центральный процессор (ЦП), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и интерфейс ввода-вывода, и сконфигурирован для осуществления общего управления действиями в системе 100 топливных элементов посредством выполнения заданных программ управления. В частности, контроллер 3 управляет действиями системы 100 топливных элементов посредством принимаемых выходных сигналов из всех вышеописанных датчиков внутри системы 100 топливных элементов и выдачи сигналов возбуждения на приводы, сконфигурированные для приведения в действие различных вспомогательных машин, таких как компрессор 13 и спускной клапан 8 для водорода. В то же время контроллер 3 сконфигурирован для управления действиями устройства 2 управления энергией, включающего в себя преобразователь DC/DC, посредством проведения обработки управления генерированием энергии, которая будет подробно описана ниже, и, тем самым, позволяет фактической генерируемой энергии пакета 1 топливных элементов точно соответствовать целевой генерируемой энергии без возникновения значительного снижения эффективности генерирования энергии. Таким образом, настоящее изобретение применяют к контроллеру 3 (устройству управления генерированием энергии). В то же время контроллер 3 может включать в себя несколько микрокомпьютеров и может также быть устройством, сконфигурированным для выполнения нескольких задач управления в дополнение к управлению обработкой управления генерированием энергии, которая будет описана ниже.
Сейчас следующий результат фактической генерируемой энергии по отношению к целевой генерируемой энергии пакета 1 топливных элементов будет объяснен для случая, когда контроллер 3 в системе 100 топливных элементов этого варианта осуществления, сформированный таким образом, выполняет обработку управления генерированием энергии, которая будет описана ниже {фиг.3(a), фиг.3(b)}. Здесь будет описан случай в сравнении со случаем, где ограничение наложено только на максимальное значение целевого генерируемого тока, получаемого из пакета 1 топливных элементов {фиг.2(a), фиг.2(b)}.
В случае, когда ограничение наложено только на максимальное значение целевого генерируемого тока, получаемого из пакета 1 топливных элементов, генерируемое напряжение пакета 1 топливных элементов иногда внезапно снижается в переходном состоянии, как показано на фиг.2(b), когда генерируемый ток получают из пакета 1 топливных элементов в низкотемпературной окружающей среде. Тогда, вследствие внезапного снижения генерируемого напряжения в этом переходном состоянии, фактическая генерируемая энергия, получаемая из пакета 1 топливных элементов, может значительно отличаться от целевой генерируемой энергии, как показано на фиг.2(a).
С другой стороны, в случае, когда контроллер 3 выполняет обработку управления генерированием энергии, которая будет описана ниже, возможно подавить снижение генерируемого напряжения пакета 1 топливных элементов в переходном состоянии, как показано на фиг.3(b), когда генерируемый ток получают из пакета 1 топливных элементов в низкотемпературных условиях (включая температуры ниже нуля). Это происходит потому, что скорость изменения (скорость увеличивающегося изменения) целевого генерируемого тока, получаемого из пакета 1 топливных элементов, ограничивают с учетом влияния ухудшения осуществления дисперсии кислорода при условии засорения воды, происходящего в порах каталитического слоя катода, и условия засорения воды, вызванного ростом температуры внутри топливного элемента, вследствие генерируемого тока, получаемого из пакета 1 топливных элементов. Более того, фактическая генерируемая энергия может придерживаться целевой генерируемой энергии, в то время как скорость изменения целевого генерируемого тока поддерживается в окрестности предельного значения. Исходя из этого, может быть достигнут быстрейший отклик энергии в соответствии с рабочей температурой пакета 1 топливных элементов.
Далее будет описана обработка управления генерированием энергии контроллером 3, используя настоящее изобретение, со ссылкой на блок-схему последовательности операций способа на фиг.4. Ряд обработок, обозначенных в блок-схеме последовательности операций способа на фиг.4, выполняют контроллером 3 в заданный период времени (такой как 10-микросекундный период).
Когда запускают последовательность на фиг.4, контроллер 3 сначала детектирует рабочую температуру пакета 1 топливных элементов на этапе S101. Здесь параметр рабочих условий, соотнесенный с рабочей температурой пакета 1 топливных элементов, такой как температура хладагента, поглощающего температуру пакета 1 топливных элементов, используют в качестве рабочей температуры пакета 1 топливных элементов. В частности, контроллер 3 вводит значение детектирования температуры датчика 20 температуры хладагента и использует это значение детектирования температуры датчика 20 температуры хладагента в качестве рабочей температуры пакета 1 топливных элементов.
Далее на этапе S102 принимают решение в отношении, находится ли пакет 1 топливных элементов в подвижном состоянии генерирования энергии или нет. Когда рабочая температура пакета 1 топливных элементов, детектированная на этапе S101, равна или выше T1 и указатель завершения прогрева установлен на «1», принимают решение, что пакет 1 топливных элементов находится в подвижном состоянии генерирования энергии, и обработка переходит на этап S103. С другой стороны, если вышеупомянутое условие не удовлетворено, то принимают решение, что пакет 1 топливных элементов не находится в подвижном состоянии генерирования энергии, и обработка переходит на этап S104. Обратите внимание, что указатель завершения прогрева является указателем, означающим, что обработка на этапе S105, который будет описан позже, не должна быть выполнена. При этом температурный порог T1 устанавливают на температуру, при которой пакет 1 топливных элементов может быть заморожен, с учетом погрешности местоположения между пакетом 1 топливных элементов и датчиком 20 температуры хладагента, использованным на этапе S101.
Нормальное управление генерированием энергии, представляющее управление генерированием энергии в подвижном состоянии, выполняют на этапе S103. Конкретное содержание этого нормального управления генерированием энергии будет подробно описано ниже.
На этапе S104 указатель завершения прогрева устанавливают на «0» и указатель осуществления операции прогрева устанавливают на «1» для того, чтобы принять решение об осуществлении операции прогрева.
Далее на этапе S105 проводят операцию прогрева для установления пакета 1 топливных элементов в подвижное состояние генерирования энергии. Операция прогрева является действием для поднятия температуры пакета 1 топливных элементов, используя самонагрев, вызванный, например, генерированием энергии пакета 1 топливных элементов.
Далее на этапе S106 принимают решение в отношении, прекращена ли операция прогрева или нет. Здесь принимают решение установить пакет 1 топливных элементов в подвижное состояние генерирования энергии, если рабочая температура пакета 1 топливных элементов, выявленная на этапе S101, равна или выше T2, например, и операцию прогрева прекращают. Затем, на следующем этапе S107, указатель завершения прогрева устанавливают на «1» и прекращают обработку управления генерированием энергии. С другой стороны, если рабочая температура пакета 1 топливных элементов, выявленная на этапе S101, ниже T2, то продолжают операцию прогрева и прекращают обработку управления генерированием энергии. Здесь температурный порог T2 устанавливают на температуру, при которой может быть принято решение, что пакет 1 топливных элементов находится в подвижном состоянии генерирования энергии, или устанавливают на температуру, при которой пакету 1 топливных элементов позже снова не потребуется операция прогрева, с учетом погрешности местоположения между пакетом 1 топливных элементов и датчиком 20 температуры хладагента, использованным на этапе S101, а также изменения состояния генерирования энергии вследствие засорения образованной воды в мембране в течение операции прогрева.
Далее дополнительно будет подробно описано нормальное управление генерированием энергии на этапе S103 на блок-схеме последовательности операций способа на фиг.4.
Фиг.5 является блок-схемой, показывающей функциональную конфигурацию контроллера 3 для реализации нормального управления генерированием энергии. Это нормальное управление генерированием энергии является управлением, которое будет осуществлено на основе условия нагрузки устройства электрической нагрузки, подключенного к пакету 1 топливных элементов.
Ниже будет описан пример нормального управления генерированием энергии в случае, где, например, система топливных элементов смонтирована на гибридном электрическом автомобиле.
В качестве функциональной конфигурации для реализации нормального генерирования энергии контроллер 3 включает в себя блок 31 вычисления целевой генерируемой энергии, блок 32 вычисления фактической генерируемой энергии, блок 33 управления подачей газа, блок 34 вычисления целевого генерируемого тока, блок 35 вычисления предельного значения скорости изменения тока, блок 36 вычисления максимального предельного тока (блок вычисления верхнего предельного значения тока), блок 37 ограничения тока, блок 38 подавления колебаний энергии, блок 39 вычисления целевого генерируемого напряжения и блок 40 управления генерируемым напряжением, как показано на фиг.5.
Блок 31 вычисления целевой генерируемой энергии вычисляет целевую генерируемую энергию пакета 1 топливных элементов на основе параметра нагрузки и тому подобного приводного двигателя, который приводят в действие по запросу водителя.
Блок 32 вычисления фактической генерируемой энергии вычисляет фактическую генерируемую энергию, которая будет извлечена из пакета 1 топливных элементов устройством 2 управления энергией, на основе значения детектирования тока датчиком 22 тока и значения детектирования напряжения датчиком 23 напряжения.
Блок 33 управления подачей газа осуществляет управление подачей водорода и воздуха в пакет 1 топливных элементов на основе целевой генерируемой энергии, вычисленной блоком 31 вычисления целевой генерируемой энергии.
Для того чтобы фактическая генерируемая энергия точно следовала целевой генерируемой энергии, блок 34 вычисления целевого генерируемого тока вычисляет целевой генерируемый ток, который является целевым значением тока, получаемого из пакета 1 топливных элементов устройством 2 управления энергией, на основе целевой генерируемой энергии, вычисленной блоком 31 вычисления целевой генерируемой энергии, фактической генерируемой энергии, вычисленной блоком 32 вычисления фактической генерируемой энергии и выходного сигнала из блока 37 ограничения тока.
Блок 35 вычисления предельного значения скорости изменения тока вычисляет предельное значение для скорости увеличивающегося изменения целевого генерируемого тока и предельное значение для скорости понижающегося изменения целевого генерируемого тока как предельные значения для скорости изменения целевого генерируемого тока.
Блок 36 вычисления максимального предельного тока вычисляет верхнее предельное значение для целевого генерируемого тока (максимальный предел тока).
На основе предельных значений для скорости изменения тока, вычисленных блоком 35 вычисления предельного значения скорости изменения тока, и максимального предела тока, вычисленного блоком 36 вычисления максимального предельного тока, блок 37 ограничения тока ограничивает целевой генерируемый ток, вычисленный блоком 34 вычисления целевого генерируемого тока, и выводит целевой генерируемый ток после ограничения.
Блок 38 подавления колебаний энергии подвергает целевой генерируемый ток после ограничения, который является выходным из блока 37 ограничения тока, обработке низкочастотным фильтром так, что колебание фактической генерируемой энергии не увеличивается вследствие мгновенного колебания ВАХ (вольт-амперной характеристики), находящейся под влиянием засорения образованной воды в мембране пакета 1 топливных элементов и тому подобного.
Блок 39 вычисления целевого генерируемого напряжения преобразует целевой генерируемый ток, который был подвергнут обработке низкочастотным фильтром блоком 38 подавления колебаний энергии, в целевое генерируемое напряжение, управляемое устройством 2 управления энергией.
Блок 40 управления генерируемым напряжением управляет действиями устройства 2 управления энергией на основе целевого генерируемого напряжения, вычисленного блоком 39 вычисления целевого генерируемого напряжения.
Контроллер 3, сконфигурированный, как описано выше, например, выполняет нормальное управление генерированием энергии в соответствии с процедурами, показанными на блок-схеме последовательности операций способа на фиг.6.
В частности, целевую генерируемую энергию пакета 1 топливных элементов вычисляют сначала блоком 31 вычисления целевой генерируемой энергии на этапе S201.
Далее фактическую генерируемую энергию пакета 1 топливных элементов вычисляют блоком 32 вычисления фактической генерируемой энергии на этапе S202.
Затем на этапе S203 блоком 33 управления подачей газа выполняют управление подачей водорода и воздуха в пакет 1 топливных элементов на основе целевой генерируемой энергии, вычисленной на этапе S201.
Впоследствии предельное значение для скорости увеличивающегося изменения целевого генерируемого тока и предельное значение для скорости понижающегося изменения целевого генерируемого тока вычисляют блоком 35 вычисления предельного значения скорости изменения тока на этапе S204.
После этого, на этапе S205, верхнее предельное значение для целевого генерируемого тока (максимальный предел тока) вычисляют блоком 36 вычисления максимального предела тока на основе фактической генерируемой энергии, вычисленной на этапе S202.
После чего целевой генерируемый ток пакета 1 топливных элементов вычисляют блоком 34 вычисления целевого генерируемого тока на этапе S206.
Далее на этапе S207 целевой генерируемый ток, вычисленный на этапе S206, ограничивают блоком 37 ограничения тока на основе предельного значения для скорости увеличивающегося изменения и предельного значения для скорости понижающегося изменения целевого генерируемого тока, вычисленных на этапе S204, а также на основе верхнего предельного значения для целевого генерируемого тока (максимального предела тока), вычисленного на этапе S205.
Затем на этапе S208 целевой генерируемый ток после ограничения на этапе S207 подвергают обработке низкочастотным фильтром блоком 38 подавления колебаний энергии.
Впоследствии на этапе S209 целевой генерируемый ток, который был подвергнут обработке низкочастотным фильтром на этапе S208, преобразуют в целевое генерируемое напряжение блоком 39 вычисления целевого генерируемого напряжения.
После этого, на этапе S210, блок 40 управления генерируемым напряжением управляет действиями устройства 2 управления энергией так, что целевое генерируемое напряжение, полученное на этапе S209, реализуют и, тем самым, прекращают обработку нормального управления генерированием энергии.
Фиг.7 изображает блок-схему последовательности операций, показывающую подробности обработки блоком 31 вычисления целевой генерируемой энергии на этапе S201 на фиг.6.
Блок 31 вычисления целевой генерируемой энергии сначала детектирует степень воздействия водителя на акселератор на основе выходного сигнала из датчика акселератора, установленного в транспортном средстве, на этапе S301, и детектирует скорость транспортного средства на основе выходного сигнала датчика скорости автомобиля, установленного в транспортном средстве, на этапе S302.
Далее, на этапе S303, значение целевой энергии (целевой энергии приводного двигателя), подаваемой на приводной двигатель, вычисляют посредством использования данных графика, показанного на фиг.8, на основе степени воздействия на акселератор, детектируемой на этапе S301, и скорости транспортного средства, детектируемой на этапе S302.
Затем энергию, которую фактически потребляют вспомогательными машинами внутри системы 100 топливных элементов (фактическое потребление энергии вспомогательными машинами), вычисляют на этапе S304. Это фактическое потребление энергии вспомогательными машинами вычисляют посредством детектирования напряжений и токов вспомогательных машин для достижения генерирования энергии пакета 1 топливных элементов, детектирования вспомогательного потребления энергии, вычисленного умножением этих значений, детектирования частот вращения и крутящих моментов в случаях насоса 19 хладагента, компрессора 13 и тому подобного, получения вычисленных значений умножением этих значений и затем добавления потерь энергии к этим значениям. Эту потерю энергии оценивают посредством ввода числа оборотов и крутящего момента в данные графика потерь.
Впоследствии, на этапе S305, целевую генерируемую энергию, которая является целевым значением энергии, получаемым пакетом 1 топливных элементов, вычисляют сложением целевой энергии приводного двигателя, вычисленной на этапе S303, с фактическим потреблением энергии вспомогательными машинами, вычисленным на этапе S304. Исходя из этого, обработку блоком 31 вычисления целевой генерируемой энергии завершают.
Фиг.9 изображает блок-схему последовательности операций, показывающую подробности обработки блоком 32 вычисления фактической генерируемой энергии на этапе S202 по фиг.6.
Блок 32 вычисления фактической генерируемой энергии сначала детектирует генерируемый ток пакета 1 топливных элементов на основе выходного сигнала датчика 22 тока на этапе S401 и детектирует генерируемое напряжение пакета 1 топливных элементов на основе выходного сигнала датчика 23 напряжения на этапе S402.
Затем, на этапе S403, фактическую генерируемую энергию пакета 1 топливных элементов вычисляют посредством умножения генерируемого тока пакета 1 топливных элементов, детектированного на этапе S401, на генерируемое напряжение пакета 1 топливных элементов, детектированное на этапе S402. Исходя из этого, обработку блоком 32 вычисления фактической генерируемой энергии завершают.
Фиг.10 изображает блок-схему последовательности операций, показывающую подробности обработки блоком 33 управления подачей газа на этапе S203 по фиг.6.
Во-первых, на этапе S501 блок 33 управления подачей газа решает, осуществляется ли сейчас операция прогрева или нет, исходя из того, установлен ли указатель осуществления операции прогрева на «1» или нет. Затем, если указатель осуществления операции прогрева установлен на «1», т.е. если операция прогрева сейчас осуществляется, тогда токи, определяющие газы для определения давлений газов и расходов газов, вычисляют на этапе S502 посредством использования данных графика, как показано на фиг.11, например. Данные графика, использованные здесь, разработаны так, что ток, определяющий газ, не опускается ниже генерируемого тока, получаемого из устройства 2 управления энергией, используя экспериментальные данные и тому подобное, температурной чувствительности ВАХ и ухудшения ВАХ в установившемся состоянии вследствие влияния засорения образованной в мембране воды, вызванного пакетом 1 топливных элементов в течение операции прогрева.
Между тем, если указатель осуществления операции прогрева установлен на «0», т.е. если операция прогрева сейчас не осуществляется, тогда токи, определяющие газы, вычисляют посредством использования данных графика на этапе S503 подобно способу для этапа S502. Данные графика, использованные здесь, разработаны на основе значений измерений из экспериментов и тому подобного, не содержащих запаса ухудшения ВАХ в установившемся состоянии вследствие влияния засорения образованной воды в мембране, вызванного пакетом 1 топливных элементов в течение операции прогрева.
Далее целевое давление газа вычисляют на этапе S504. Это целевое давление газа вычисляют посредством использования табличных данных, показанных на фиг.12, на основе тока, определяющего газ, вычисленного либо на этапе S502, либо на этапе S503. Табличные данные созданы с учетом, например, эффективности генерирования энергии пакета 1 топливных элементов.
Затем осуществляют управление давлением водорода на этапе S505. Это управление давлением водорода выполняют с возможностью управления давлением водорода на аноде посредством работы клапана 5 управления давлением водорода на основе целевого давления газа, вычисленного на этапе S504. В этом отношении действие клапана 5 управления давлением водорода выполняют посредством определения указанного открытия клапана 5 управления водородом с помощью управления с обратной связью на основе отклонения между целевым давлением газа и давлением водорода пакета 1 топливных элементов, детектированным датчиком 12 давления водорода на входе. Обратите внимание, что это управления с обратной связью может также быть структурировано другими хорошо известными способами, включающими в себя пропорционально-интегральное регулирование, адаптивное управление по эталонной модели и тому подобное. Между тем, указанное открытие клапана 5 управления давлением водорода, вычисленное здесь, подают из контроллера 3 в схему возбуждения клапана 5 управления давлением водорода, посредством которой клапан 5 управления давлением водорода приводят в соответствии с указанным открытием.
Впоследствии, на этапе S506, осуществляют управление расходом воздуха. Это управление расходом воздуха выполняют, как описано ниже, например. Во-первых, целевой расход воздуха вычисляют посредством использования табличных данных, показанных на фиг.13, на основе тока, определяющего газ, вычисленного либо на этапе S502, либо на этапе S503. Табличные данные созданы для достижения коэффициента использования воздуха так, чтобы местная нехватка подачи воздуха не происходила внутри пакета 1 топливных элементов. Затем, после того как целевой расход воздуха вычислен, вычисляют указанное число оборотов компрессора посредством использования данных графика, показанных на фиг.14, на основе целевого расхода воздуха и целевого давления газа. Обратите внимание, что данные графика разработаны на основе характеристик расхода воздуха для числа оборотов и коэффициента давления компрессора 13. Между тем, указанное число оборотов компрессора, вычисленное здесь, подают из контроллера 3 в схему возбуждения компрессора, посредством которой компрессор 13 приводят в соответствии с указанным числом оборотов.
После этого, на этапе S507, осуществляют управление давлением воздуха. Это управление давлением воздуха сконфигурировано для управления давлением воздуха посредством действия клапана 18 управления давлением воздуха на основе целевого давления газа, вычисленного на этапе S504. Действие клапана 18 управления давлением воздуха выполняют посредством определения указанного открытия клапана 18 управления давлением воздуха с помощью управления с обратной связью на основе отклонения между целевым давлением газа и давлением воздуха пакета 1 топливных элементов, детектированным датчиком 16 давления воздуха на входе. Обратите внимание, что это управления с обратной связью может также быть структурировано хорошо известными способами, такими как пропорционально-интегральное регулирование и адаптивное управление по эталонной модели. Между тем, указанное открытие клапана 18 управления давлением воздуха, вычисленное здесь, подают из контроллера 3 в схему возбуждения клапана 18 управления давлением воздуха, посредством которой клапан 18 управления давлением воздуха приводят в соответствии с указанным открытием. Исходя из этого, обработку блоком 33 управления подачей газа завершают.
Фиг.15 изображает блок-схему последовательности операций, показывающую подробности обработки блоком 35 вычисления предельного значения скорости изменения тока на этапе S204 по фиг.6.
Во-первых, на этапе S601 блок 35 вычисления предельного значения скорости изменения тока решает, осуществляется ли сейчас операция прогрева или нет, на основе, установлен ли указатель осуществления операции прогрева на «1» или нет. Далее, если указатель осуществления операции прогрева установлен на «1», т.е. если операция прогрева сейчас осуществляется, тогда предельное значение для скорости увеличивающегося изменения целевого генерируемого тока, получаемого из пакета 1 топливных элементов после осуществления операции прогрева, вычисляют на этапе S602. Здесь предельное значение для скорости увеличивающегося изменения целевого генерируемого тока вычисляют, используя табличные данные на фиг.16 на основе рабочей температуры пакета 1 топливных элементов, детектированной на этапе S101 фиг.4. То есть в соответствии с увеличением рабочей температуры пакета 1 топливных элементов более высокое значение вычисляют как предельное значение для скорости увеличивающегося изменения целевого генерируемого тока. В частности, предельное значение для скорости роста снижают. Табличные данные разработаны с точки зрения предотвращения значительного снижения эффективности генерирования энергии в переходном состоянии после операции прогрева. Точнее, например, степень засорения воды, происходящего в каталитическом слое катода в течение операции прогрева, и ситуация разрешения засорения воды во время роста температуры внутри пакета 1 топливных элементов для скорости изменения генерируемого тока, получаемого из пакета 1 топливных элементов устройством 2 управления энергией, созданы на основе рабочей разработки. С другой стороны, также возможно использовать данные графика, подготовленные добавлением целевого генерируемого тока, получаемого устройством 2 управления энергией в течение операции прогрева, или интегрального значения фактического генерируемого тока, например, вместо рабочей температуры пакета 1 топливных элементов.
С другой стороны, если указатель осуществления операции прогрева установлен на «0», т.е. если операция прогрева не проводится, тогда устанавливают фиксированное значение в качестве предельного значения для скорости увеличивающегося изменения целевого генерируемого тока для отсутствия осуществления операции прогрева. Это фиксированное значение выполнено так, что фактическая генерируемая энергия незначительно отличается от целевой генерируемой энергии в свете переходного отклика, требуемого для приводной энергии двигателя и тому подобного.
Далее, на этапе S604, вычисляют предельное значение для скорости понижающегося изменения целевого генерируемого тока. Здесь также устанавливают предельное значение для скорости понижающегося изменения целевого генерируемого тока таким образом, что не происходит отклонения в установившемся состоянии между фактической генерируемой энергией и целевой генерируемой энергией, т.е. разность между целевой генерируемой энергией и фактической генерируемой энергией не равна или выше заданного значения, даже если целевая генерируемая энергия, полученная на этапе S201 по фиг.6, изменяется вследствие колебания измерений параметра нагрузки, использованного для вычисления и тому подобного. Это предельное значение для скорости понижающегося изменения устанавливают на значение, полученное умножением предельного значения для скорости увеличивающегося изменения, вычисленного либо на этапе S602, либо на этапе S603, на -1, например. Между тем, также возможно задать значение таким образом, что отклонение в установившемся состоянии между целевой генерируемой энергией и фактической генерируемой энергией не было равно или выше заданного значения после того, как отношение между ВАХ пакета 1 топливных элементов и пределом для скорости увеличивающегося изменения целевого генерируемого тока исследовано на основе экспериментальных данных. Исходя из этого, обработку блоком 35 вычисления предельного значения скорости изменения тока завершают.
Фиг.17 изображает блок-схему последовательности операций, показывающую подробности обработки блоком 36 вычисления максимального предельного тока на этапе S205 фиг.6. Как будет подробно описано позже, эта обработка блоком 36 вычисления максимального предельного тока предназначена для ограничения максимального значения целевого генерируемого тока в соответствии с ограничением целевой генерируемой энергии так, что генерируемое напряжение пакета 1 топливных элементов не опускается ниже заданного нижнего предельного значения.
Во-первых, на этапе S701 блок 36 вычисления максимального предельного тока сохраняет все значения фактической генерируемой энергии (фактической генерируемой энергии, вычисленной на этапе S202 на фиг.6) до определенного времени. Здесь заданное время устанавливают на время, включающее в себя один период или более составляющей колебания, имеющей самый медленный период, с учетом колебаний измерений в установившемся состоянии датчика 22 тока и датчика 23 напряжения, используемых, например, для вычисления фактической генерируемой энергии, а также возмущающего колебания.
Далее, на этапе S702, выбирают фактическую генерируемую энергию (энергия для вычисления максимального тока), использованную для вычисления верхнего предельного значения целевого генерируемого тока (максимального предела тока), из значений фактической генерируемой энергии до заданного времени, сохраненных на этапе S701. Здесь максимальное значение из сохраненной фактической генерируемой энергии выбирают как энергию для вычисления максимального тока, с точки зрения подавляющего ограничения максимального тока целевого генерируемого тока сверх необходимости в варианте, где нижнее предельное значение целевого генерируемого напряжения не ограничено блоком 40 управления генерируемым напряжением.
Далее, на этапе S703, устанавливают фиксированное значение в качестве нижнего предела генерируемого напряжения. Фиксированное значение устанавливают здесь на нижнее предельное напряжение с точки зрения предотвращения старения посредством предотвращения перемены полярности напряжения элемента в пакете 1 топливных элементов и предотвращения рабочего повреждения вследствие падения напряжения источника питания устройства электрической нагрузки, такого как приводной двигатель, подключенный к пакету 1 топливных элементов. С другой стороны, также возможно установить нижнее предельное значение генерируемого напряжения переменным в зависимости, например, от рабочей температуры пакета 1 топливных элементов или состояния осуществления операции прогрева. Нижнее предельное значение генерируемого напряжения может быть установлено на нижний уровень, посредством установки переменного значения, в случае высокой ВАХ пакета 1 топливных элементов. Таким образом, максимальное значение генерируемой энергии может быть увеличено.
Далее, на этапе S704, вычисляют верхнее предельное значение целевого генерируемого тока (максимальный предел тока), получаемого из пакета 1 топливных элементов, делением энергии для вычисления максимального тока, выбранного на этапе S702, на нижнее предельное значение генерируемого напряжения, полученного на этапе S703. Здесь расчет верхнего предельного значения целевого генерируемого тока (максимального предела тока) на этапе S704 может быть признан действительным или признан недействительным в зависимости от отношения между целевым генерируемым напряжением, вычисленным на этапе S209 фиг.6, и фактическим генерируемым напряжением, детектированным посредством использования датчика 23 напряжения. В этом случае посредством признания вычисления недействительным в варианте, где максимальное значение целевого генерируемого тока не должно быть ограничено отношением между целевым генерируемым напряжением и фактическим генерируемым напряжением, возможно предотвратить ограничение целевого генерируемого тока сверх необходимости благодаря задержке вычисления, образованной задержкой обмена между контроллером 3 и устройством 2 управления энергией и так далее. Исходя из этого, обработку блоком 36 вычисления максимального предела тока завершают.
Фиг.18 изображает блок-схему последовательности операций, показывающую подробности обработки блоком 34 вычисления целевого генерируемого тока на этапе S206 по фиг.6.
Во-первых, на этапе 801 блок 34 вычисления целевого генерируемого тока вычисляет запас увеличения целевой генерируемой энергии для определения, насколько должна быть увеличена фактическая генерируемая энергия для целевой генерируемой энергии после заданного времени посредством запаса 34А увеличения целевой генерируемой энергии так, чтобы фактическая генерируемая энергия, вычисленная на этапе S202, соответствовала целевой генерируемой энергии, вычисленной на этапе S201 по фиг.6. Здесь будет описан, используя фиг.19, способ вычисления для запаса увеличения целевой генерируемой энергии в случае относительно динамической характеристики приводного двигателя, который является устройством электрической нагрузки, подключенным к пакету 1 топливных элементов, в качестве основной характеристики задержки постоянной времени А.
Так как динамическую характеристику приводного двигателя можно считать основной характеристикой задержки, то запас увеличения целевой генерируемой энергии после заданного времени [k+H] может быть вычислен в соответствии с нижеследующей формулой (3) на основе отклонения между целевой генерируемой энергией и фактической генерируемой энергией.
H
Запас увеличения целевой генерируемой энергии [k+H] = (целевая генерируемая энергия [k] - фактическая генерируемая энергия [k]×(1-exp(-период управления/постоянная времени А)) (3), где k является временем вычисления тока, а H является числом этапов периода управления.
Здесь значение H, которое определяет параметр после заданного времени, устанавливают целым кратным нижнему предельному значению при задании 1 в качестве нижнего предела. Если динамическая характеристика приводного двигателя не может считаться основной функцией, тогда запас увеличения целевой генерируемой энергии может быть вычислен посредством использования функции, имеющей более высокий порядок, чем основной порядок. Между тем, так как в этом варианте осуществления блок-схему последовательности операций выполняют за 10-микросекундный период, то период управления равен 0,01 по секундной временной шкале.
Далее, на этапе S802, вычисляют установившуюся оцененную энергию посредством преобразования целевой генерируемой энергии после ограничения в энергию на основе ВАХ в установившемся состоянии при использовании в качестве входного целевого генерируемого тока после ограничения, являющегося выходным из блока 37 ограничения тока. Здесь установившуюся оцененную энергию вычисляют на основе табличных данных по фиг.20. Табличные данные созданы посредством рабочей разработки и экспериментальных измерений ВАХ верхнего предела с учетом производственного изменения и тому подобного среди ВАХ в установившемся состоянии пакета 1 топливных элементов. Как описано выше, посредством установки верхней предельной характеристики возможно достичь отклика, когда фактическая генерируемая энергия вряд ли превышает целевую генерируемую энергию. Исходя из этого, приводной двигатель может быть приведен в действие без труда в ответ на запрос ускорения от водителя. Между тем, вместо использования табличных данных возможно использовать данные графика, полученные дополнительным добавлением расчетной формулы или чувствительности к рабочей температуре ВАХ пакета 1 топливных элементов и тому подобного.
Далее, на этапе S803, вычисляют динамическую оцененную энергию, представляющую оцененное значение генерируемой энергии в переходном состоянии, посредством использования переходной модели отклика, сконфигурированной для оценки переходного отклика генерируемой энергии при использовании установившейся оцененной энергии, вычисленной на этапе S802 в качестве входной. Здесь переходная модель отклика представляет динамическую характеристику, при использовании в качестве входного, целевого генерируемого тока после ограничения, являющегося выходным из блока 37 ограничения тока контроллера 3, и при использовании в качестве выходного фактического генерируемого тока, являющегося выходным из блока 32 вычисления фактической генерируемой энергии. Здесь динамическую оцененную энергию, в случае принятия этой динамической характеристики в качестве основной характеристики задержки постоянной времени B, вычисляют, используя нижеследующую формулу (4):
Динамическая оцененная энергия [k] = (1-exp(-период управления/постоянная времени B)) × установившаяся генерируемая энергия [k-1] + exp(-период управления/постоянная времени B)) × динамическая оцененная энергия [k-1] (4).
Здесь, если переходная модель отклика не будет считаться основной функцией, тогда возможно рассчитать динамическую оцененную энергию, используя функцию, имеющую более высокий порядок, чем основной порядок.
Далее, на этапе S804, вычисляют целевую генерируемую энергию после поправки, в которой фактическая генерируемая энергия соответствует целевой генерируемой энергии, посредством использования запаса увеличения целевой генерируемой энергии, вычисленного на этапе S801, и динамической оцененной энергии, вычисленной на этапе S803. Подробный способ вычисления будет описан здесь, используя фиг.21. Во-первых, запас увеличения переходной модели отклика (который будет вычислен блоком 34B вычисления запаса увеличения переходной модели отклика), который является запасом увеличения динамической оцененной энергии после заданного времени [k+H], может быть выражен нижеследующей формулой (5):
Запас увеличения переходной модели отклика [k+H] = динамическая оцененная энергия [k+H] - динамическая оцененная энергия [k] (5).
Более того, также возможно выразить нижеследующую формулу (6), когда вышеприведенная формула (5) заменена посредством использования вышеописанной переходной модели отклика генерируемой энергии:
H
H
Запас увеличения переходной модели отклика [k+H] = динамическая оцененная энергия [k] × exp(-период управления/постоянная времени B) + целевая генерируемая энергия после поправки × (1-exp(-период управления/постоянная времени B)) - динамическая оцененная энергия [k] (6).
Целевую генерируемую энергию после поправки вычисляют так, что запас увеличения переходной модели отклика, полученный в вышеупомянутой формуле (6), равен (соответствует) запасу увеличения целевой генерируемой энергии, вычисленному на этапе S801.
Далее, на этапе S805, вычисляют целевой генерируемый ток, преобразованный в ток, на основе ВАХ в установившемся состоянии при использовании целевой генерируемой энергии после поправки, вычисленной на этапе S804 в качестве входной. Здесь целевой генерируемый ток вычисляют на основе табличных данных по фиг.22. Табличные данные созданы на основе ВАХ, которая является такой же, как ВАХ табличных данных, использованных на этапе S802. В результате этого возможно получить целевой генерируемый ток, который не приводит к отклонению в установившемся состоянии между целевой генерируемой энергией и фактической генерируемой энергией. Исходя из этого, обработку блоком 34 вычисления целевого генерируемого тока завершают.
Фиг.23 изображает блок-схему последовательности операций, показывающую подробности обработки блоком 37 ограничения тока на этапе S207 по фиг.6.
Во-первых, на этапе S901 блок 37 ограничения тока ограничивает целевой генерируемый ток, вычисленный на этапе S206 по фиг.6, на основе отклонения между временем вычисления тока [k] и предыдущим сроком [k-1] и предельного значения для скорости увеличивающегося изменения, вычисленного на этапе S204 по фиг.6, как показано в нижеследующей формуле (7) и нижеследующей формуле (8).
Если целевой генерируемый ток [k] - целевой генерируемый ток [k-1] > предельного значения скорости увеличивающегося изменения [k], то
целевой генерируемый ток TA1 [k] = целевой генерируемый ток [k-1] + предельное значение скорости увеличивающегося изменения [k] (7).
Если целевой генерируемый ток [k] - целевой генерируемый ток [k-1] ≤ предельного значения скорости увеличивающегося изменения [k], то
целевой генерируемый ток TA1 [k] = целевому генерируемому току [k] (8).
Далее, на этапе S902, целевой генерируемый ток TA1, вычисленный на этапе S901, ограничивают на основе отклонения между временем вычисления тока [k] и предыдущим временем [k-1] и предельного значения для скорости понижающегося изменения, вычисленного на этапе S204 по фиг.6, как показано в нижеследующей формуле (9) и нижеследующей формуле (10).
Если целевой генерируемый ток TA1 [k] - целевой генерируемый ток TA1 [k-1] < предельного значения скорости понижающегося изменения [k], то
целевой генерируемый ток TA2 [k] = целевой генерируемый ток TA1 [k-1] + предельное значение скорости понижающегося изменения [k] (9).
Если целевой генерируемый ток TA1 [k] - целевой генерируемый ток TA2 [k-1] ≥ предельного значения скорости понижающегося изменения [k], то
целевой генерируемый ток TA2 [k] = целевому генерируемому току TA1 [k] (10).
Далее, на этапе S903, целевой генерируемый ток TA2, вычисленный на этапе S902, ограничивают на основе верхнего предельного значения целевого генерируемого тока (максимального предела тока), вычисленного на этапе S205 по фиг.6, как показано в нижеследующей формуле (11) и нижеследующей формуле (12).
Если целевой генерируемый ток TA2 [k] > максимального предельного тока [k], то
целевой генерируемый ток TA3 [k] = максимальному предельному току [k] (11).
Если целевой генерируемый ток TA2 [k] ≤ максимального предельному тока [k], то
целевой генерируемый ток TA3 [k] = целевому генерируемому току TA2 [k] (12).
Исходя из этого, обработку блоком 37 ограничения тока завершают.
Фиг.24 изображает блок-схему последовательности операций, показывающую подробности обработки блоком 38 подавления колебаний энергии на этапе S208 по фиг.6.
Во-первых, на этапе S1001 блок 38 подавления колебаний энергии вычисляет установившуюся оцененную энергию преобразованием целевой генерируемой энергии после ограничения в энергию на основе ВАХ в установившемся состоянии, при использовании в качестве входного, целевого генерируемого тока после ограничения, являющегося выходным из блока 37 ограничения тока. Здесь также используют те же табличные данные (фиг.20), как в ВАХ, в установившемся состоянии, использованной на этапе S802 по фиг.18.
Далее, на этапе S1002 установившуюся оцененную энергию, вычисленную на этапе S1001, пропускают через низкочастотный фильтр. Характеристики низкочастотного фильтра, использованные здесь, будут описаны, используя фиг.25. Во-первых, этот низкочастотный фильтр устанавливают для уменьшения характеристики усиления в частотной области F1 до достаточно низкого уровня. Другими словами, этот низкочастотный фильтр уменьшает пиковый коэффициент усиления, которым обладает топливный элемент в частотной области F1 (высокочастотной области), до заданного значения. Здесь частотная область F1 является частотной областью, в которой колебание генерируемой энергии вследствие мгновенного изменения засорения образованной воды в мембране пакета 1 топливных элементов увеличено из-за вычисления целевого генерируемого тока на этапе S205 по фиг.6. Например, полосу частот составляющей колебания фактической генерируемой энергии в установившемся состоянии в низкотемпературной окружающей среде проверяют экспериментальным путем и устанавливают на эту полосу частот. Далее частотную область, которая удовлетворяет переходному запросу приводного двигателя, подключенного к пакету 1 топливных элементов, включают в частотную область F2. Таким образом, возможно привести в действие приводной двигатель без труда в ответ на запрос ускорения от водителя.
Далее, на этапе S1003, установившуюся оцененную энергию, подвергшуюся обработке низкочастотным фильтром на этапе S1002, преобразуют в ток (целевой генерируемый ток) на основе ВАХ в установившемся состоянии. Здесь также используют те же табличные данные (фиг.22), как в ВАХ, в установившемся состоянии, использованной на этапе S805 по фиг.18. Как описано выше, блок 38 подавления колебаний энергии сконфигурирован для обеспечения целевого генерируемого тока после ограничения, являющегося выходным из блока 37 ограничения тока, прохождение через низкочастотный фильтр после преобразования в энергию. Согласно этому возможно оценить переходную модель отклика генерируемой энергии, используемую, когда блок 34 вычисления целевого генерируемого тока вычисляет целевой генерируемый ток посредством использования низкочастотного фильтра, заданного на этапе S1002, а также получить эффект повышения точности оценки переходной модели отклика. Исходя из этого, обработку блоком 38 подавления колебаний энергии завершают.
Фиг.26 изображает блок-схему последовательности операций, показывающую подробности обработки блоком 39 вычисления целевого генерируемого напряжения на этапе S209 по фиг.6.
Во-первых, на этапе S1101 блок 39 вычисления целевого генерируемого напряжения устанавливает нижнее ограниченное значение генерируемого напряжения целевого генерируемого напряжения, которое будет управляться устройством 2 управления энергией. Здесь также используют то же значение, как нижнее предельное значение генерируемого напряжения, использованное в процессе вычисления максимального предельного тока на этапе S205 фиг.6.
Далее, на этапе S1102, вычисляют целевое генерируемое напряжение, чтобы следовать фактическому генерируемому току, детектированному датчиком 22 тока, для целевого генерируемого тока, который был подвергнут обработке низкочастотной фильтрации блоком 38 подавления колебаний энергии. Здесь целевое генерируемое напряжение определяют выполнением управления с обратной связью, например, на основе отклонения между целевым генерируемым током и фактическим генерируемым током. Обратите внимание, что это управление с обратной связью может быть структурировано хорошо известными способами, включающими в себя пропорционально-интегральное регулирование, адаптивное управление по эталонной модели и тому подобное. В этом случае ограничение накладывают так, что целевое генерируемое напряжение не опускается ниже нижнего предельного значения, созданного на этапе S1101. Исходя из этого, обработку блоком 39 вычисления целевого генерируемого напряжения завершают.
Как подробно описано со ссылкой на конкретный пример, согласно системе 100 топливных элементов этого варианта осуществления, возможно получить следующие результаты посредством осуществления управления генерированием энергии контроллером 3, используя настоящее изобретение.
В качестве характеристики пакета 1 топливных элементов в низкотемпературной окружающей среде значительное снижение эффективности генерирования энергии в переходном состоянии происходит, когда ток быстро получают из пакета 1 топливных элементов за короткое время. Это, вероятно, возникает потому, что осуществление диффузии кислорода ухудшается в ситуации, когда происходит засорение воды, например, в порах каталитического слоя катода. Здесь в системе 100 топливных элементов этого варианта осуществления контроллер 3 сконфигурирован для вычисления предельных значений для скорости изменения целевого генерируемого тока, получаемого из пакета 1 топливных элементов, на основе параметра рабочих условий (такого как значение детектирования температуры датчиком 20 температуры хладагента), соотнесенного с рабочей температурой пакета 1 топливных элементов, и ограничения целевого генерируемого тока так, что величина изменения целевого генерируемого тока не превышает предельные значения. Поэтому возможно осуществить управление так, что ток не получают из пакета 1 топливных элементов слишком быстро с учетом условия разрешения засорения воды, вызванного ростом температуры внутри пакета 1 топливных элементов. Исходя из этого, возможно обеспечить для фактической генерируемой энергии точное следование за целевой генерируемой энергией, тогда как значительное снижение эффективности генерирования энергии в переходном состоянии может быть предотвращено, даже когда пакет 1 топливных элементов генерирует энергию в низкотемпературной окружающей среде.
Между тем, запас снижения эффективности генерирования энергии в переходном состоянии в случае получения тока из пакета 1 топливных элементов становится меньше, когда рабочая температура пакета 1 топливных элементов становится выше. Это, вероятно, происходит потому, что засорение воды в каталитическом слое катода постепенно разрешают, например, посредством роста температуры внутри пакета 1 топливных элементов. Здесь в системе 100 топливных элементов этого варианта осуществления контроллер 3 сконфигурирован для установления предельного значения для скорости увеличивающегося изменения целевого генерируемого тока на более высокое значение вместе с ростом значения детектирования температуры (такого как значение детектирования температуры датчиком 20 температуры хладагента), соотнесенного с рабочей температурой пакета 1 топливных элементов. Согласно этому возможно обеспечить для фактической генерируемой энергии точное следование за целевой генерируемой энергией, тогда как самая быстрая переходная характеристика может быть достигнута в пределах диапазона, где значительное снижение эффективности генерирования энергии не происходит.
Между тем, существует угроза того, что ВАХ в установившемся состоянии ухудшится вследствие замерзания образованной воды, засорения образованной воды и тому подобного во время низкотемпературной генерирования энергии и что установившееся отклонение фактической генерируемой энергии от целевой генерируемой энергии происходит, даже когда соблюдается предельное значение для скорости увеличивающегося изменения целевого генерируемого тока. Более того, это ухудшение ВАХ также меняется в зависимости от разновидностей компоновки среди топливных элементов, условий небрежного отношения или тому подобного и поэтому является трудной для оценки. Здесь в системе 100 топливных элементов этого варианта осуществления контроллер 3 сконфигурирован для вычисления целевого генерируемого тока так, чтобы оценивать отклонение между целевой генерируемой энергией и фактической генерируемой энергией на основе целевого генерируемого тока после ограничения, наложенного на величину изменения тока. Согласно этому возможно правильно рассчитать целевой генерируемый ток с учетом ухудшения ВАХ, когда пакет 1 топливных элементов осуществляет выработку энергии в низкотемпературной окружающей среде, и, тем самым, заставить фактическую генерируемую энергию точно придерживаться целевой генерируемой энергии без возникновения установившегося отклонения вследствие ухудшения ВАХ.
Более того, когда скорость изменения целевого генерируемого тока ограничивают осуществлением управления с обратной связью, чтобы заставить фактическую генерируемую энергию придерживаться целевой генерируемой энергии, управление с обратной связью, включающее в себя интегратор, такое как пропорционально-интегральное регулирование, не в состоянии правильно осуществлять вычисление с интегратором в случае ограничения скорости изменения целевого генерируемого тока. Исходя из этого, невозможно обеспечить для фактической генерируемой энергии следование за изменением целевой генерируемой энергии в короткое время. В противном случае существует угроза того, что фактическая генерируемая энергия превышает целевую генерируемую энергию. Когда происходит превышение, существует вероятность того, что фактически сгенерированная энергия устройства электрической нагрузки, такого как приводной двигатель, подключенный к пакету 1 топливных элементов, значительно отличается от целевой генерируемой энергии и внутри вторичного элемента протекает избыточный ток и, тем самым, приводит в действие защитный режим, в системе, имеющей, например, вторичный аккумуляторный элемент. С другой стороны, если интегратор не предоставлен, то существует вероятность блокировки быстрого роста температуры посредством самонагрева, связанного с генерированием энергии в низкотемпературной окружающей среде, потому что фактическая генерируемая энергия вызывает устойчивое отклонение от целевой генерируемой энергии. Здесь в системе 100 топливных элементов этого варианта осуществления контроллер 3 сконфигурирован для вычисления запаса увеличения целевой генерируемой энергии, предполагающего увеличение для фактической генерируемой энергии после заданного времени посредством использования отклонения между целевой генерируемой энергией и фактической генерируемой энергией, ввода целевой генерируемой энергии после ограничения, наложенного на величину изменения тока, и использования переходной модели отклика генерируемой энергии, тем самым, вычисляя целевую генерируемую энергию так, что запас увеличения переходной модели отклика равен (является равнозначным) запасу увеличения целевой генерируемой энергии. Исходя из этого, возможно непрерывно вычислять целевой генерируемый ток, даже когда величину изменения тока ограничивают. В результате этого даже в варианте, когда величину увеличивающегося изменения целевого генерируемого тока ограничивают, фактическая генерируемая энергия может соответствовать целевой генерируемой энергии, придерживаясь окрестности ограниченной скорости изменения и подавляя превышение.
Более того, в случае генерирования энергии в низкотемпературной окружающей среде и тому подобном существует вероятность мгновенного колебания ВАХ вследствие мгновенного изменения условия засорения воды в каталитическом слое. Вследствие этого может поддерживаться колебание фактической генерируемой энергии. Здесь в системе топливных элементов этого варианта осуществления контроллер 3 сконфигурирован для установления низкочастотного фильтра, чтобы удалить высокочастотную составляющую в колебании фактической генерируемой энергии вследствие мгновенного изменения условия засорения воды в каталитическом слое и подвергнуть целевой генерируемый ток после ограничения скорости изменения тока обработке низкочастотным фильтром. Согласно этому возможно эффективно подавить колебание фактической генерируемой энергии и создать переходную модель отклика генерируемой энергии на основе установленного, таким образом, низкочастотного фильтра. Исходя из этого, точность переходной модели отклика генерируемой энергии улучшают для переходного отклика фактической генерируемой энергии. В результате этого даже в случае, когда происходит мгновенное колебание в фактической генерируемой энергии, фактическая генерируемая энергия может соответствовать целевой генерируемой энергии, при этом величину превышения фактической генерируемой энергии подавляют до минимума.
Более того, составляющая колебания, такая как помехи при измерении, может быть добавлена в попытке точно рассчитать целевую генерируемую энергию на основе значения детектирования параметра нагрузки устройства электрической нагрузки, и может быть вызвано отклонение между целевой генерируемой энергией и фактической генерируемой энергией в варианте, когда фактическая генерируемая энергия придерживается окрестности целевой генерируемой энергии. Здесь в системе 100 топливных элементов этого варианта осуществления контроллер 3 сконфигурирован для установления предельного значения для скорости понижающегося изменения так, чтобы предотвратить то, чтобы целевое генерируемое значение отличалось от фактической генерируемой энергии на величину, равную или выше заданного значения с учетом ограничения скорости увеличивающегося изменения целевого генерируемого тока, и ограничить не только повышающуюся скорость, а также и понижающуюся скорость целевой генерируемой энергии. Согласно этому, даже когда составляющую колебания добавляют к целевой генерируемой энергии вследствие помехи при измерении фактической генерируемой энергии и тому подобного, все же возможно заставить фактическую генерируемую энергию придерживаться целевой генерируемой энергии без какого-либо установившегося отклонения.
Более того, как описано ранее, существует случай, когда ВАХ пакета 1 топливных элементов ухудшена вследствие замерзания образованной воды, засорения образованной воды и тому подобного в низкотемпературной окружающей среде. Более того, это ухудшение ВАХ также меняется в зависимости от разновидностей компоновки среди топливных элементов, условий небрежного отношения или тому подобного и поэтому является трудной для оценки. По этой причине, даже когда величина увеличивающегося изменения целевого генерируемого тока ограничена, все же существует вероятность того, что напряжение изменяется, при этом подключенное устройство электрической нагрузки не может нормально приводиться в действие, или что происходит старение вследствие перемены полярности напряжения элемента в топливных элементах. Здесь в системе 100 топливных элементов этого варианта осуществления контроллер 3 сконфигурирован для вычисления целевого генерируемого напряжения так, чтобы предотвратить падение генерируемого напряжения пакета 1 топливных элементов ниже заданного нижнего предельного значения. Согласно этому возможно поддерживать более низкое напряжение так, чтобы не вызвать напряжения, при котором подключенное устройство электрической нагрузки не может нормально приводиться в действие или не вызвать старения вследствие перемены полярности напряжения элемента в топливных элементах. Более того, чтобы не ограничивать целевой генерируемый ток больше, чем необходимо вследствие составляющей колебания фактической генерируемой энергии, верхнее предельное значение (максимальный предел тока) целевого генерируемого тока вычисляют на основе значения, которое получают делением значения, являющегося выбранным из значений фактической генерируемой энергии до заданного времени, на нижнее предельное значение целевого генерируемого напряжения, и, тем самым, ограничивают максимальное значение целевого генерируемого тока. Поэтому возможно следовать изменению целевой генерируемой энергии в короткое время, даже когда генерируемое напряжение ограничивают. Вследствие этого возможно заставить фактическую генерируемую энергию точно следовать целевой генерируемой энергии в пределах диапазона, где предотвращено старение вследствие перемены полярности напряжения в топливных элементах или где предотвращено падение напряжения ниже напряжения, которое влияет на работу устройства электрической нагрузки, подключенного к пакету 1 топливных элементов.
Более того, когда пакет 1 топливных элементов испытывает пониженное состояние генерирования энергии в низкотемпературной окружающей среде, существует тенденция того, что снижение эффективности генерирования энергии становится более заметным, чем в случае, когда он не испытывает этого. Это происходит, вероятно, из-за влияния воды, засоряющейся более легко в порах каталитического слоя катода вследствие генерирования энергии в ситуации, например, с более низким осуществлением отвода воды при низкой температуре. Здесь система 100 топливных элементов этого варианта осуществления сконфигурирована для определения состояния генерирования энергии пакета 1 топливных элементов при запуске и проведения ограничения целевого генерируемого тока посредством использования блока 37 ограничения тока, только когда принимают решение, что существует вероятность пониженного состояния генерирования энергии. Согласно этому возможно обеспечить фактической генерируемой энергии точное следование целевой генерируемой энергии за более короткое время в варианте, когда снижение эффективности генерирования энергии в переходном состоянии происходит незаметно.
Система топливных элементов согласно варианту осуществления настоящего изобретения была подробно описана выше. Однако вышеописанный вариант осуществления лишь показывает некоторый пример применения настоящего изобретения и не предполагает ограничивать технический объем настоящего изобретения в пределах содержимого, описанного в варианте осуществления. То есть технический объем настоящего изобретения не ограничен только конкретными техническими сведениями, описанными в варианте осуществления, а предполагается охватить различные другие модификации, изменения, возможные технологии и так далее, которые могут быть легко получены из этого раскрытия.
Все содержимое заявки на патент Японии № 2008-283149 (поданной 4 ноября 2008 г.) включено сюда путем ссылки.
Содержимое настоящего изобретения было описано выше со ссылкой на вариант осуществления. Однако специалистам в данной области техники очевидно, что настоящее изобретение не ограничено только описанием, сконфигурированным выше, и возможны различные модификации и усовершенствования.
Промышленная применимость
Согласно настоящему изобретению возможно ограничить величину изменения целевого генерируемого тока с учетом условия решения засорения воды, вызванного ростом температуры внутри топливного элемента. Исходя из этого, возможно предотвратить значительное снижение эффективности генерирования энергии в переходном состоянии, даже когда топливный элемент генерирует энергию в низкотемпературной окружающей среде.