專(zhuān)利名稱(chēng)：車(chē)載設(shè)備的燃料電池動(dòng)力裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及車(chē)載設(shè)備的燃料電池動(dòng)力裝置，具體來(lái)說(shuō)，它涉及其激活操作。
背景技術(shù)：
由JP-A-2000-315511已知安裝在混合燃料電池車(chē)輛上的燃料電池和蓄電池是傳統(tǒng)的車(chē)載設(shè)備燃料電池動(dòng)力裝置。當(dāng)供給電池電能或燃料電池產(chǎn)生的電能時(shí)，用來(lái)運(yùn)行燃料電池車(chē)輛的驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輛。
在車(chē)輛啟動(dòng)階段，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器切換點(diǎn)火開(kāi)關(guān)至“開(kāi)”時(shí)，燃料電池被激活，以允許車(chē)輛操作。但是在啟動(dòng)時(shí)，燃料電池不能立即產(chǎn)生電能。因此車(chē)輛從蓄電池供給電能至驅(qū)動(dòng)電機(jī)。然后，當(dāng)能夠通過(guò)燃料電池產(chǎn)生電能時(shí)，通過(guò)燃料電池供給電能。

發(fā)明內(nèi)容
為了激活燃料電池，必須施加一定量的電能。特別地，當(dāng)提供燃料重整器時(shí)，需要大量的電能以激活燃料電池，燃料重整器重整燃料并施加含氫的氣體至燃料電池。激活燃料電池所需的電能隨操作條件而改變。例如，當(dāng)燃料電池激活在冷態(tài)下開(kāi)始時(shí)，電能消耗顯著增加。
特別地，在短期運(yùn)行的條件下，其中車(chē)輛操作特別短一段時(shí)間，車(chē)輛操作可能在期間終止，此期間中通過(guò)燃料電池可能會(huì)產(chǎn)生電能，也可能不會(huì)產(chǎn)生電能。因此即使燃料電池被激活，也經(jīng)常是電能不會(huì)由燃料電池施加的情況。因此，通過(guò)激活燃料電池，電能被不必要地消耗。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目標(biāo)是當(dāng)需要大量能量激活燃料電池時(shí)，通過(guò)在不激活燃料電池的情況下操作車(chē)輛，抑制電能消耗。
另外，當(dāng)車(chē)輛短期操作時(shí)，通過(guò)不激活燃料電池可以避免不必要的電能消耗。
為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明提供車(chē)載設(shè)備的燃料電池動(dòng)力裝置。車(chē)載設(shè)備具有驅(qū)動(dòng)設(shè)備，用來(lái)在供給電能時(shí)運(yùn)行車(chē)載設(shè)備。動(dòng)力裝置包括燃料電池，它在供給燃料時(shí)產(chǎn)生電能；蓄電池，它利用燃料電池產(chǎn)生的電能充電；電能調(diào)節(jié)設(shè)備，它選擇分配從蓄電池和燃料電池至驅(qū)動(dòng)設(shè)備的電能；以及控制器，它控制車(chē)輛操作?？刂破鞔_定是短期操作運(yùn)行模式還是正常運(yùn)行模式，當(dāng)從確定結(jié)果中確定為正常運(yùn)行模式時(shí)激活燃料電池，當(dāng)確定為短期操作運(yùn)行模式時(shí)，控制燃料電池和電能調(diào)節(jié)設(shè)備，以使燃料電池不被激活，并從蓄電池向驅(qū)動(dòng)設(shè)備供給電能。
上述細(xì)節(jié)及本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)，在本說(shuō)明書(shū)的剩余部分提出，并顯示在附圖中。


圖1表示本發(fā)明第一實(shí)施方式的框圖。
圖2表示按照第一實(shí)施方式的燃料電池激活控制程序的流程圖。
圖3表示燃料重整器的溫度和激活能之間關(guān)系的特征曲線(xiàn)。
圖4表示按照第二實(shí)施方式的燃料電池的激活控制程序的流程圖。
圖5表示外部溫度和重整器激活能及重整器停止之后直至點(diǎn)火開(kāi)關(guān)切換至“開(kāi)”之后的持續(xù)時(shí)間之間關(guān)系的特征曲線(xiàn)。
圖6表示按照第三實(shí)施方式的燃料電池的激活控制程序的流程圖。
圖7表示運(yùn)行模式基準(zhǔn)參數(shù)和運(yùn)行模式極限值之間關(guān)系的特征曲線(xiàn)。
圖8表示按照第四實(shí)施方式的燃料電池的激活控制程序的流程圖。
因9表示充電狀態(tài)(SOC)和判定值之間關(guān)系的特征曲線(xiàn)。
圖10表示按照第五實(shí)施方式的燃料電池的激活控制程序的流程圖。
圖11表示按照第六實(shí)施方式的燃料電池的激活控制程序的流程圖。
圖12表示燃料電池的激活能和激活完成時(shí)間之間關(guān)系的特征曲線(xiàn)。
具體實(shí)施例方式
為了更詳細(xì)地描述本發(fā)明，下文將參照附圖概述優(yōu)選的具體實(shí)施方式
。
圖1是按照本發(fā)明第一實(shí)施方式的燃料電池車(chē)輛的結(jié)構(gòu)框圖。此燃料電池車(chē)輛為混合燃料電池汽車(chē)，它安裝有由蓄電池和含有燃料重整器的燃料電池組成的電源。
燃料重整器1從含有烴的燃料中產(chǎn)生含氫的重整氣體。例如，當(dāng)使用甲醇作為燃料時(shí)，儲(chǔ)存在甲醇箱5中作為燃料的甲醇與來(lái)自水箱9的水混合，以通過(guò)蒸汽重整反應(yīng)產(chǎn)生含氫的重整氣體。
可以從壓縮機(jī)15為燃料重整器1施加所需的空氣，以通過(guò)甲醇的部分氧化產(chǎn)生重整氣體。
在燃料重整器1中執(zhí)行的重整反應(yīng)可以分解為吸熱的蒸汽重整反應(yīng)和放熱的部分氧化反應(yīng)。
燃料電池21含有陽(yáng)極和陰極電極。來(lái)自燃料重整器1的重整氣體被施加至陽(yáng)極電極，而來(lái)自壓縮機(jī)15的空氣被施加至陰極電極。燃料電池21從利用空氣中的氧和燃料氣體中的氫的電化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生電能。
在燃料電池21的下游提供燃燒器3。在燃料重整器1旁邊安裝燃燒器3。由于施加至燃料電池21的空氣中的氧和燃料氣體中的氫沒(méi)有完全消耗，剩余的含氫重整氣體排出物和含氧的排出氣體在燃燒器3中燃燒。燃燒器3把燃燒產(chǎn)生的熱量傳送至燃料重整器1，在其中用它來(lái)汽化水和甲醇。為此，需要來(lái)自壓縮機(jī)15的空氣與來(lái)自甲醇箱5的甲醇在燃燒器3中燃燒。
提供通過(guò)所供給電能驅(qū)動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)29，以驅(qū)動(dòng)燃料電池車(chē)輛。發(fā)動(dòng)機(jī)29連接至驅(qū)動(dòng)輪30，車(chē)輛通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)29的轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)。
提供與燃料電池21分離的蓄電池27。當(dāng)燃料電池車(chē)輛減速時(shí)，使用燃料電池產(chǎn)生的過(guò)量電能和當(dāng)燃料電池車(chē)輛減速時(shí)通過(guò)操作發(fā)動(dòng)機(jī)29產(chǎn)生的電能為蓄電池27充電。相反地，當(dāng)燃料電池21的輸出不能滿(mǎn)足壓縮機(jī)15、燃料重整器1和燃燒器3的能量消耗時(shí)，或者滿(mǎn)足運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)29所需的電能，蓄電池27提供燃料電池輸出的不足。
提供電能調(diào)節(jié)設(shè)備31，以選擇性地把來(lái)自燃料電池21和蓄電池27的電能分配給發(fā)動(dòng)機(jī)29和輔助設(shè)備(壓縮機(jī)15，燃料重整器1，燃燒器3等)。
提供控制器33，以通過(guò)電能調(diào)節(jié)設(shè)備31控制電能的分配。
控制器33包括中央處理器(CPU)，RAM，ROM和輸入/輸出接口，并且可能包含多個(gè)微型計(jì)算機(jī)。從點(diǎn)火開(kāi)關(guān)36輸入信號(hào)至控制器33，這標(biāo)志著車(chē)輛操作的開(kāi)始，加速器踏板傳感器37，它輸出對(duì)應(yīng)加速器踏板35下降量(加速器張開(kāi)程度)的信號(hào)，車(chē)輛速度傳感器38，它輸出對(duì)應(yīng)車(chē)輛速度的信號(hào)，SOC傳感器，它檢測(cè)蓄電池27中的充電水平(充電狀態(tài))，溫度傳感器40，它檢測(cè)燃料電池的溫度，和溫度傳感器41，它檢測(cè)大氣的溫度。
在本發(fā)明中，尤其是在燃料電池車(chē)輛操作的開(kāi)始階段，控制器33執(zhí)行燃料電池激活的控制程序，以避免不必要的電能消耗。
在車(chē)輛操作的開(kāi)始階段，燃料電池21必須被激活，這需要時(shí)間直至能夠通過(guò)燃料電池發(fā)電。所需時(shí)間根據(jù)操作條件不同而改變，通常在激活完成之前消耗相當(dāng)大量的電能。
在通過(guò)燃料電池21開(kāi)始發(fā)電之前的時(shí)期，發(fā)動(dòng)機(jī)29通過(guò)由蓄電池27施加的電能驅(qū)動(dòng)。但是特別地當(dāng)操作時(shí)間較短時(shí)，例如當(dāng)車(chē)輛操作在燃料電池21真正開(kāi)始發(fā)電之前終止時(shí)，由于不必要的電能消耗，激活燃料電池21僅對(duì)燃料效率產(chǎn)生不利影響。
因此，控制器33根據(jù)當(dāng)時(shí)的操作條件估算激活燃料電池21所需的能量。燃料電池21僅在激活能較小時(shí)被激活。在其它情況下，由激活導(dǎo)致的電能消耗被抑制，因?yàn)椴粓?zhí)行激活控制程序。
將參照?qǐng)D2描述通過(guò)控制器33執(zhí)行的控制程序。僅當(dāng)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)(IGN)從關(guān)切換至開(kāi)時(shí)執(zhí)行圖2所示的程序。
在圖2所示的控制程序中，基于燃料重整器1的溫度估算激活燃料電池所需的激活能。
在第S10步，讀通過(guò)溫度傳感器40檢測(cè)的燃料重整器1的溫度(它對(duì)應(yīng)燃料電池的溫度)。在第S20步，通過(guò)基于所檢測(cè)溫度查看圖3所示的圖表，估算激活燃料電池所需的能量。
如圖3所示，激活燃料電池所需的能量隨燃料電池溫度的增加而減少。這歸功于以下事實(shí)，在燃料電池激活過(guò)程中需要燃料電池中相應(yīng)元件的溫度增加至預(yù)定溫度。因此，在激活增加之前所需的激活熱量(激活能)隨溫度增加而減少。
在第S30步，比較判定值Q與激活燃料電池21所需的能量。當(dāng)燃料電池21被充分加熱時(shí)，判定值Q被設(shè)定為對(duì)應(yīng)重啟操作時(shí)激活所需能量。這代表如下情況，燃料效率沒(méi)有顯著惡化，即使燃料電池21以短期操作模式被激活也僅需要較小的激活能量。例如，假定在極冷的條件下激活燃料電池，此值被設(shè)定為大約激活能最大值的10％。以這種方法，基于經(jīng)驗(yàn)，試驗(yàn)或統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以設(shè)定最佳值。
當(dāng)激活燃料電池21所需的能量小于判定值Q時(shí)，程序前進(jìn)至第S40步，燃料電池21被激活。更精確地，使用激活標(biāo)志執(zhí)行燃料電池21的激活進(jìn)程，其中燃料電池激活標(biāo)志的值為1(初始設(shè)定＝0)。
下面將描述燃料電池21的激活進(jìn)程的一個(gè)實(shí)施例。
當(dāng)激活程序開(kāi)始時(shí)，通過(guò)把燃燒器3的入口與燃料重整器1的出口連接，越過(guò)燃料電池21。其后，通過(guò)施加空氣和燃料至燃料重整器1，執(zhí)行由部分氧化反應(yīng)引起的放熱反應(yīng)。來(lái)自燃料重整器1的重整氣體被施加至燃燒器3，并在燃燒器3中燃燒重整氣體中的H2，CO，HC。一旦燃料重整器1的溫度達(dá)到預(yù)定溫度，通過(guò)為燃料重整器1施加水執(zhí)行自熱反應(yīng)(autothermicreactions)，或者通過(guò)停止施加空氣執(zhí)行蒸汽重整反應(yīng)。當(dāng)所檢測(cè)的燃料重整器1中的溫度表明蒸汽重整反應(yīng)已經(jīng)穩(wěn)定時(shí)，開(kāi)始施加重整氣體(富H2氣體)至燃料電池21，以開(kāi)始通過(guò)燃料電池21發(fā)電。因此燃料電池21的激活完成。
相反地，當(dāng)激活燃料電池21所需的能量大于或等于判定值Q時(shí)，程序從第S30步前進(jìn)至第S50步，燃料電池21不被激活(燃料電池激活標(biāo)志＝0)。
當(dāng)燃料電池21正在被激活或不被激活時(shí)，車(chē)輛以EV運(yùn)行模式操作，并僅從蓄電池27供給電能。
如圖3所示，當(dāng)燃料電池(燃料重整器)的溫度為低溫T1時(shí)，激活所需的能量大于判定值Q。因此燃料電池(燃料重整器1)不被激活。對(duì)應(yīng)地，在溫度T2，因?yàn)榧せ钏璧哪芰啃∮谂卸ㄖ礠，燃料電池21被激活。
因此在本實(shí)施方式中，當(dāng)燃料電池車(chē)輛開(kāi)始操作時(shí)，如果激活燃料電池21所需的能量較大時(shí)，燃料電池21不被操作。特別地，當(dāng)操作在短時(shí)間內(nèi)完成時(shí)，有可能避免通過(guò)蓄電池的不必要能耗，因?yàn)椴恍枰せ钊剂想姵?1的能量。
將參照表示控制器33的操作的圖4的流程圖描述本發(fā)明的另一實(shí)施方式。
與圖2所示的第一實(shí)施方式的不同點(diǎn)在于，圖4中的第二實(shí)施方式的第S12，S22步不同于圖2中的第S10，S20步。
也就是說(shuō)，在第S12步，讀持續(xù)時(shí)間。這段時(shí)間是從緊前一次通過(guò)把點(diǎn)火開(kāi)關(guān)切換至“關(guān)”的位置以停止燃料電池21到將點(diǎn)火開(kāi)關(guān)切換回“開(kāi)”的位置的時(shí)間。讀取溫度傳感器40檢測(cè)的溫度。通過(guò)提供在控制器33中的計(jì)時(shí)器測(cè)量持續(xù)時(shí)間。提供一種溫度傳感器取代溫度傳感器40，以讀外部溫度并可以讀此檢測(cè)到的外部溫度。
在第S22步，通過(guò)基于持續(xù)時(shí)間和外部溫度查看圖5所示的圖表，估算激活燃料電池21所需的能量。
當(dāng)持續(xù)時(shí)間保持不變時(shí)，如圖5所示，激活所需的能量隨外部溫度的增加而減少。當(dāng)外部溫度保持不變時(shí)，此能量隨持續(xù)時(shí)間的增加而增加。
這歸功于以下事實(shí)，在燃料電池21激活過(guò)程中需要燃料重整器1之類(lèi)的相應(yīng)元件的溫度增加至基準(zhǔn)溫度。因此，激活燃料電池21所需的熱量(激活能)隨外部溫度增加而減少。并且在以前的瞬時(shí)時(shí)間點(diǎn)停止操作燃料電池21之后，激活所需的能量隨時(shí)間增加而增加，直至隨后的啟動(dòng)操作。這歸功于以下事實(shí)，在停止燃料電池21之后燃料重整器的溫度隨持續(xù)時(shí)間增加而下降，導(dǎo)致激活所需的熱量相應(yīng)地增加。
按照本實(shí)施方式，通過(guò)基于從在以前的瞬時(shí)時(shí)間點(diǎn)停止燃料電池21至點(diǎn)火開(kāi)關(guān)在隨后的時(shí)間切換至開(kāi)的持續(xù)時(shí)間或基于當(dāng)時(shí)的外部溫度估算激活燃料電池21所需的能量，有可能執(zhí)行精確估算激活所需能量。
將參照表示控制器33的操作的圖6的流程圖描述本發(fā)明的第三實(shí)施方式。
圖6所示的流程圖補(bǔ)充圖2所示的第一實(shí)施方式或圖4所示的第二實(shí)施方式。也就是說(shuō)，在圖2所示的控制程序已經(jīng)執(zhí)行之后，在例如10毫秒的時(shí)期內(nèi)執(zhí)行圖6的流程圖。但其在燃料電池被激活后停止。
在圖6所示的第S60步，檢查燃料電池激活標(biāo)志的值。此值設(shè)定為圖2中點(diǎn)火開(kāi)關(guān)從關(guān)切換至開(kāi)的結(jié)果。
當(dāng)燃料電池激活標(biāo)志的值為零時(shí)，程序前進(jìn)至第S70步及隨后的步驟。在第S70，S80，S90步，執(zhí)行運(yùn)行模式的確定。也就是說(shuō)，在第S70步，讀運(yùn)行模式判定參數(shù)。這里運(yùn)行模式判定參數(shù)定義為①點(diǎn)火開(kāi)關(guān)切換開(kāi)之后的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間②實(shí)際運(yùn)行速度③運(yùn)行所需的電量④蓄電池的電能消耗
⑤加速器踏板的下降速度在上面①中的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間[秒]可以通過(guò)提供在控制器33中的計(jì)時(shí)器測(cè)量。在上面②中的實(shí)際運(yùn)行速度[m/s]通過(guò)車(chē)輛速度傳感器(未顯示)測(cè)量?；谕ㄟ^(guò)加速器踏板傳感器37檢測(cè)的加速器張開(kāi)程度，檢測(cè)在上面③中的運(yùn)行所需的電量[kW]，上面④中蓄電池的電能消耗(kW)通過(guò)代表蓄電池容量的SOC(充電狀態(tài))[％]估算?；谕ㄟ^(guò)加速器踏板傳感器37檢測(cè)的加速器張開(kāi)程度，估算上面⑤中的加速器踏板35的下降速度[張開(kāi)程度/秒]。
在第S80步，分別使用上述的五種運(yùn)行模式判定參數(shù)，以確定車(chē)輛是否以正常運(yùn)行模式操作，或者是否以短期操作模式操作?；趫D7執(zhí)行相應(yīng)的確定。
圖7中最上部(第一步)的面板的左端為實(shí)際運(yùn)行時(shí)間的最小值(例如0秒)。把短期操作運(yùn)行模式與正常運(yùn)行模式分開(kāi)的臨界值基本上通過(guò)以下順序確定。
(1)基于模擬或公司場(chǎng)地中的運(yùn)行試驗(yàn)準(zhǔn)備一種圖，以根據(jù)相應(yīng)的車(chē)輛運(yùn)行條件(外部溫度，濕度，載荷等)確定短期運(yùn)行模式或正常運(yùn)行模式的臨界時(shí)間。
(2)基于實(shí)際車(chē)輛操作條件，校正臨界時(shí)間(圖值)。
在圖7的第二面板中，左端代表最小實(shí)際運(yùn)行速度(例如0m/s)。右端是最大實(shí)際運(yùn)行速度。基于當(dāng)時(shí)的電能消耗量和通常的運(yùn)行模式，確定短期操作運(yùn)行模式和正常運(yùn)行模式之間的臨界速度。假定實(shí)際運(yùn)行速度為瞬時(shí)值。
圖7的第三面板的左端為運(yùn)行所需最小電量(例如0kW)。右端為運(yùn)行所需最大電量。通過(guò)車(chē)輛的最大載荷運(yùn)行模式，確定運(yùn)行所需最大電量。同樣，在圖7的第四面板中，左端代表通過(guò)蓄電池的最小電能消耗量(例如0kW)，右端是通過(guò)蓄電池的最大電能消耗量。通過(guò)蓄電池的最大電能消耗量根據(jù)蓄電池容量確定。
圖7最下部的面板的左端代表最小加速器踏板的下降速度(例如0張開(kāi)程度/秒)，右端代表最大加速器踏板的下降速度。
為什么使用加速器踏板的下降速度而不是加速器踏板下降量，和為什么當(dāng)其值大于或等于臨界值時(shí)確定為正常運(yùn)行模式的原因如下。加速器踏板35上的較大下降速度代表車(chē)輛上載荷的強(qiáng)烈波動(dòng)。因此，當(dāng)載荷經(jīng)受強(qiáng)烈波動(dòng)時(shí)，由于通過(guò)蓄電池27的充電/放電操作的頻率增加，蓄電池27上的載荷增加。因而當(dāng)頻繁地發(fā)生這種載荷波動(dòng)時(shí)，燃料電池32被激活，以減少蓄電池27上由充電和放電操作引起的載荷(正常運(yùn)行模式)。
以這種方法，當(dāng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)間短時(shí)，當(dāng)實(shí)際運(yùn)行速度低時(shí)，當(dāng)運(yùn)行所需電能或通過(guò)蓄電池的電能消耗量低時(shí)，或加速器踏板的下降速度低時(shí)，確定為短期操作運(yùn)行模式。相反地，當(dāng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)時(shí)，當(dāng)實(shí)際運(yùn)行速度高時(shí)，當(dāng)運(yùn)行所需電能或通過(guò)蓄電池的電能消耗量大時(shí)，或加速器踏板的下降速度高時(shí)，確定為正常運(yùn)行模式。圖7中的相應(yīng)臨界值根據(jù)車(chē)輛大小不同而變化。
在圖6的第S90步，確定是否車(chē)輛處于兩種運(yùn)行模式的之一。當(dāng)有一種運(yùn)行模式判定參數(shù)時(shí)，如果確定為短期操作運(yùn)行模式，程序前進(jìn)至第S100步，燃料電池21不被激活(燃料電池激活標(biāo)志＝0)。當(dāng)沒(méi)有確定短期操作運(yùn)行模式，程序從第S90步前進(jìn)至S110步，燃料電池21被激活(燃料電池激活標(biāo)志＝1)。
當(dāng)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)從關(guān)切換至開(kāi)時(shí)，即使當(dāng)由于激活所需的能量大于判定值Q(圖2中的第S30，S50步)而未激活燃料電池21時(shí)，當(dāng)從其運(yùn)行模式判定參數(shù)中確定為正常運(yùn)行模式時(shí)，重整器1可以被激活(圖6中的第S90，S110步)。
實(shí)際上由于使用五種運(yùn)行模式判定參數(shù)，在第S90步，根據(jù)所有的五種運(yùn)行模式判定參數(shù)，檢查是否已經(jīng)確定短期操作運(yùn)行模式。當(dāng)根據(jù)所有的五種運(yùn)行模式判定參數(shù)確定車(chē)輛以短期操作運(yùn)行模式運(yùn)行時(shí)，程序前進(jìn)至第S100步，燃料電池21不被激活。
相反地，當(dāng)即使五種運(yùn)行模式判定參數(shù)的其中之一表明車(chē)輛沒(méi)有以短期操作運(yùn)行模式運(yùn)行時(shí)，程序從第S90步前進(jìn)至S110步，燃料電池21被激活。這是因?yàn)橐韵率聦?shí)，當(dāng)即使五種運(yùn)行模式判定參數(shù)的其中之一確定正常運(yùn)行模式時(shí)，如果車(chē)輛繼續(xù)以短期操作運(yùn)行模式操作，有可能在蓄電池27的容量達(dá)到下限值之前，燃料電池21將不被激活。為了避免這種問(wèn)題，當(dāng)運(yùn)行模式判定參數(shù)的任何其中之一與正常運(yùn)行模式對(duì)應(yīng)時(shí)，燃料電池21被激活。
因此，在把點(diǎn)火開(kāi)關(guān)置于開(kāi)之后，在固定的時(shí)期內(nèi)基于運(yùn)行模式判定參數(shù)，確定運(yùn)行模式為正常運(yùn)行模式還是短期操作運(yùn)行模式。根據(jù)所確定的結(jié)果控制燃料電池21的激活或不激活。因此，可以根據(jù)運(yùn)行模式控制燃料電池21的激活或不激活。這使改進(jìn)實(shí)際燃料效率和避免性能降低成為可能。
但是，確定運(yùn)行模式的方法并不限于上述方法。例如，可以使用學(xué)習(xí)控制存儲(chǔ)日期/時(shí)間運(yùn)行模式，它包括日歷57A，時(shí)鐘57B，GPS57C(見(jiàn)圖1)的其中之一或其組合。因此有可能按照所存儲(chǔ)的日期/時(shí)間運(yùn)行模式確定短期操作運(yùn)行模式或正常運(yùn)行模式。日期/時(shí)間運(yùn)行模式是特指根據(jù)日期，每周的某天或時(shí)間期限確定驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行模式。例如，當(dāng)燃料電池車(chē)輛用以在每周工作日的期間運(yùn)輸貨物時(shí)，因?yàn)閳?zhí)行至高密度住宅區(qū)的運(yùn)輸，很明顯是車(chē)輛將經(jīng)常以短期操作運(yùn)行模式操作的情況。此時(shí)，學(xué)習(xí)控制存儲(chǔ)短期操作運(yùn)行模式作為運(yùn)輸期間的模式。因此在此時(shí)間期限內(nèi)，在不執(zhí)行運(yùn)行模式確定的情況下，立即確定短期操作運(yùn)行模式，車(chē)輛繼續(xù)操作，而不激活燃料電池21。
將參照?qǐng)D8描述本發(fā)明的第四實(shí)施方式。
圖8的流程圖取代第一和第二實(shí)施方式的圖2和圖4的流程圖。
圖8與第一和第二實(shí)施方式的不同點(diǎn)在于第S120步和第S130步。也就是說(shuō)，在第S120步，從SOC傳感器39的輸出讀取表示蓄電池27充電狀態(tài)的SOC值。隨即程序前進(jìn)至第S130步，通過(guò)基于SOC值查看圖9所示的圖表，估算激活燃料電池21所需能量的判定值Qs。
如圖9所示，當(dāng)判定值Qs大于下限值SOCmin時(shí)，它取與第三實(shí)施方式判定值Q相同的值。當(dāng)SOC小于或等于下限值SOCmin時(shí)，判定值Qs為對(duì)應(yīng)假定燃料電池激活所需能量最大值Qmax的數(shù)值。
因此，當(dāng)圖8中SOC值小于下限值SOCmin時(shí)，激活所需能量的判定值Qs取假定燃料電池激活所需能量的最大值Qmax。此時(shí)，在第S30步，因?yàn)榧せ钊剂想姵?1所需的能量總是小于判定值Qs，程序從第S30步前進(jìn)至第S40步，保證燃料電池的激活。
即使當(dāng)短時(shí)間操作時(shí)，如果SOC處于蓄電池失效的水平(即，SOC達(dá)到SOCmin)，在燃料電池21正被激活的情況下車(chē)輛不能操作。為了防止這種問(wèn)題，指定殘留蓄電池電荷，它在燃料電池21正被激活時(shí)足以?xún)H使用發(fā)動(dòng)機(jī)29驅(qū)動(dòng)車(chē)輛。
圖8中第S10和S20步代表圖2中的第S10，S20步或圖4中的第S12，S22步。也就是說(shuō)，在圖8的第S10步，讀燃料電池激活所需能量的估算參數(shù)(第一實(shí)施方式中的燃料電池溫度，第二實(shí)施方式中的外部溫度和從停止燃料電池至把點(diǎn)火開(kāi)關(guān)切換至開(kāi)的持續(xù)時(shí)間)。在圖8的第S20步，基于上述參數(shù)估算激活所需能量(使用第一實(shí)施方式中的控制程序，查看圖3所示的圖表，使用第二實(shí)施方式中的控制程序，查看圖5所示的圖表)。
因此在本實(shí)施方式中，因?yàn)榧せ钏枘芰康呐卸ㄖ蹈鶕?jù)蓄電池27的SOC而改變。有可能避免由在燃料電池21的激活過(guò)程中殘留蓄電池電荷被消耗而引起的不能通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)27驅(qū)動(dòng)車(chē)輛的問(wèn)題。
圖10表示本發(fā)明的第五實(shí)施方式。
圖10中的流程圖對(duì)應(yīng)圖6的流程圖。當(dāng)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)從關(guān)切換至開(kāi)時(shí)，圖10的控制程序開(kāi)始。此程序在10毫秒的期間內(nèi)重復(fù)，在燃料電池21的激活完成之后終止。
與第三實(shí)施方式的不同點(diǎn)在于引入第S140，S150，S160步取代圖6的第S60步。
也就是說(shuō)，在第五實(shí)施方式中，在驅(qū)動(dòng)器室中提供運(yùn)行模式選擇開(kāi)關(guān)51(見(jiàn)圖1)，以允許選擇正常運(yùn)行模式或短期操作運(yùn)行模式。
在第S140步，確定是否驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)基于開(kāi)關(guān)信號(hào)選擇正常運(yùn)行模式或短期操作運(yùn)行模式。如果驅(qū)動(dòng)器選擇正常運(yùn)行模式，程序前進(jìn)至第S110步，燃料電池21被激活(燃料電池激活標(biāo)志＝1)。
另一方面，當(dāng)選擇短期操作運(yùn)行模式時(shí)，程序前進(jìn)至第S150步，讀蓄電池27的SOC。在第S160步，把此SOC值與判定值A(chǔ)比較。
例如，當(dāng)通過(guò)驅(qū)動(dòng)器選擇短期操作運(yùn)行模式時(shí)，判定值A(chǔ)對(duì)應(yīng)某SOC(固定值)，其中如果車(chē)輛僅使用蓄電池電能操作有可能因?yàn)樾铍姵厥Ф鸬能?chē)輛不操作。
盡管判定值A(chǔ)必須經(jīng)驗(yàn)地，實(shí)驗(yàn)地或統(tǒng)計(jì)地得出，一種操作實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ降?0-15運(yùn)行模式可以代替并用于判定值A(chǔ)的估算。
當(dāng)SOC小于或等于判定值A(chǔ)時(shí)，確定當(dāng)通過(guò)蓄電池電能運(yùn)行時(shí)由于蓄電池失效車(chē)輛將不操作。在這種情況下，程序前進(jìn)至第S110步，燃料電池21被激活。但是為了避免在運(yùn)行時(shí)停止車(chē)輛，最好在燃料電池21的激活進(jìn)展到允許保持車(chē)輛運(yùn)行的水平后開(kāi)始運(yùn)行，或當(dāng)通過(guò)燃料電池21開(kāi)始發(fā)電之后開(kāi)始運(yùn)行。
當(dāng)SOC大于判定值A(chǔ)時(shí)，殘留蓄電池電荷確定為某值，它允許燃料電池21從冷態(tài)激活之后直至開(kāi)始發(fā)電的短期操作運(yùn)行。隨即程序從第S160步前進(jìn)至S70步，執(zhí)行與按照如圖3所示的第三實(shí)施方式的相同進(jìn)程。
在本實(shí)施方式中，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器使用運(yùn)行模式選擇開(kāi)關(guān)選擇正常運(yùn)行模式時(shí)，通過(guò)立即激活燃料電池21，縮短只使用蓄電池電能的運(yùn)行時(shí)間，因此有可能降低蓄電池27的能量消耗。
當(dāng)驅(qū)動(dòng)器選擇短期操作運(yùn)行模式時(shí)，確定當(dāng)前的SOC狀態(tài)。當(dāng)只使用蓄電池電能執(zhí)行運(yùn)行時(shí)，當(dāng)車(chē)輛操作不會(huì)導(dǎo)致蓄電池失效時(shí)才允許短期操作運(yùn)行模式的操作。因此有可能避免殘留蓄電池電荷的減少。
將參照?qǐng)D11描述第六實(shí)施方式。
圖11所示的流程圖取代第五實(shí)施方式中圖10的流程圖。
與第五實(shí)施方式的不同點(diǎn)在于處理運(yùn)行模式選擇開(kāi)關(guān)信號(hào)的方法，和增加新的第S170，S180，S190和S200的事實(shí)。
也就是說(shuō)，在第S140步，檢查來(lái)自運(yùn)行模式選擇開(kāi)關(guān)51的信號(hào)，以確定是否驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)選擇運(yùn)行模式，或是否沒(méi)有選擇任一運(yùn)行模式。
當(dāng)驅(qū)動(dòng)器選擇正常運(yùn)行模式時(shí)，控制程序與按照第五實(shí)施方式描述的控制程序相同。程序前進(jìn)至第S110步，燃料電池21被激活。
當(dāng)驅(qū)動(dòng)器選擇短期操作運(yùn)行模式時(shí)，程序從第S140步前進(jìn)至第S170，S180步，讀存儲(chǔ)在圖2的第S20步的激活所需能量。使用此值以估算在燃料電池21激活過(guò)程中的運(yùn)行電能量E[Wh]。
在燃料電池21激活過(guò)程中的運(yùn)行電能量E的估算如下。
首先，通過(guò)基于燃料電池21激活所需能量查看圖12所示的圖表，估算直至燃料電池21激活完成的時(shí)期。接著在此期間的操作取為10-15模式運(yùn)行。因此可以基于實(shí)驗(yàn)，測(cè)量或估算在直至燃料電池21的激活完成的時(shí)期中，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)29以10-15模式運(yùn)行時(shí)的電能消耗量。以這種方法，當(dāng)在預(yù)定的圖表中設(shè)定燃料電池激活完成時(shí)間與此時(shí)的能量消耗的關(guān)系時(shí)，有可能通過(guò)基于重整器激活完成時(shí)間查看此圖表，估算燃料電池激活期間的運(yùn)行電能量E。
可以實(shí)驗(yàn)估算為了激活燃料電池21的輔助設(shè)備的能量消耗與燃料電池激活完成時(shí)間之間的關(guān)系，并設(shè)定在圖表中。因此通過(guò)把此值加入僅通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)29運(yùn)行時(shí)的能量消耗，可以更精確地估算燃料電池激活期間的運(yùn)行電能量E。
在第S190步，當(dāng)蓄電池27在燃料電池激活期間使用運(yùn)行電能量E時(shí)，蓄電池27的消耗率被估算為SOC-E[％]。在第S200步，把消耗率SOC-E與SOC當(dāng)前值比較。當(dāng)消耗率SOC-E大于或等于SOC當(dāng)前值時(shí)，因?yàn)椴涣⒓磫?dòng)燃料電池21的車(chē)輛操作將導(dǎo)致蓄電池失效，程序從第S200步前進(jìn)至第S110步，燃料電池21被立即激活(燃料電池激活標(biāo)志＝1)。
在這種情況下，如果直至SOC大于消耗率SOC-E才開(kāi)始運(yùn)行，有可能保證防止車(chē)輛操作期間的蓄電池失效。
相反地，在第S200步，當(dāng)消耗率SOC-E小于SOC當(dāng)前值時(shí)，確定有可能僅使用蓄電池電能繼續(xù)短期操作運(yùn)行。隨即程序前進(jìn)至S100步，燃料電池21不被激活(燃料電池激活標(biāo)志＝0)。
另一方面，在第S140步，當(dāng)驅(qū)動(dòng)器沒(méi)有從兩種運(yùn)行模式中選擇任一運(yùn)行模式時(shí)，程序前進(jìn)至第S70步及隨后步驟。以與第五實(shí)施方式相同的方法，確定運(yùn)行模式參數(shù)的內(nèi)容，并確定是否激活燃料電池21。
當(dāng)在第S90步確定短期操作運(yùn)行模式時(shí)，程序前進(jìn)至第S170步及隨后步驟。因此，即使當(dāng)驅(qū)動(dòng)器沒(méi)有選擇任一運(yùn)行模式時(shí)，當(dāng)短期操作運(yùn)行模式確定為運(yùn)行模式確定(第S70，S80和S90)的結(jié)果時(shí)，如果蓄電池消耗率SOC-E的值小于SOC當(dāng)前值，程序從第S200步前進(jìn)至第S110步，重整器1被激活。以這種方法，有可能保證防止短期操作運(yùn)行期間的蓄電池失效。
在本實(shí)施方式中，除短期操作運(yùn)行模式之外，確定燃料電池激活期間的運(yùn)行模式和燃料電池激活完成之后的運(yùn)行模式。因此，可以通過(guò)通知三種相應(yīng)運(yùn)行模式的驅(qū)動(dòng)器的面板顯示和聲音顯示55(見(jiàn)圖1)，知道驅(qū)動(dòng)器的所選運(yùn)行模式。
本實(shí)施方式描述燃料電池的激活，包括燃料重整器是否被激活，作為含有燃料重整器的燃料電池的例子。但是本發(fā)明并不限于此方面。本發(fā)明可以以與是否激活一種燃料電池同樣的方法應(yīng)用，這種燃料電池可以是通過(guò)內(nèi)部重整反應(yīng)發(fā)電的固態(tài)氧化物燃料電池，或者直接利用電極反應(yīng)從燃料中發(fā)電的固態(tài)氧化物燃料電池。
盡管甲醇被描述為施加至燃料重整器的燃料，本發(fā)明并不限于此方面，可以使用丙烷氣體，天然氣，石腦油氣或其它碳?xì)淙剂稀?br> 在上述實(shí)施方式中，已經(jīng)根據(jù)車(chē)輛應(yīng)用描述車(chē)載設(shè)備的燃料電池動(dòng)力裝置。但是也可能把本發(fā)明應(yīng)用于船或工業(yè)機(jī)器。
工業(yè)應(yīng)用本發(fā)明可以應(yīng)用于燃料電池車(chē)輛的運(yùn)行控制。
權(quán)利要求
1.一種車(chē)載設(shè)備的燃料電池動(dòng)力裝置，車(chē)載設(shè)備含有驅(qū)動(dòng)設(shè)備(29)，它在供給電能時(shí)驅(qū)動(dòng)車(chē)載設(shè)備，動(dòng)力裝置包括燃料電池(21)，它在供給燃料時(shí)產(chǎn)生電能；蓄電池(27)，它利用燃料電池產(chǎn)生的電能充電；電能調(diào)節(jié)設(shè)備(31)，它選擇分配從蓄電池和燃料電池至驅(qū)動(dòng)設(shè)備的電能；控制器(33)，它的作用是確定是短期操作運(yùn)行模式還是正常運(yùn)行模式；當(dāng)從確定結(jié)果中確定為正常運(yùn)行模式時(shí)激活燃料電池；當(dāng)確定為短期操作運(yùn)行模式時(shí)，控制燃料電池和電能調(diào)節(jié)設(shè)備，以使燃料電池不被激活，并從蓄電池向驅(qū)動(dòng)設(shè)備供給電能。
2.按照權(quán)利要求1限定的動(dòng)力裝置，還包含至少一個(gè)以下元件計(jì)時(shí)器(33)，用來(lái)測(cè)量啟動(dòng)動(dòng)力裝置之后的時(shí)間；傳感器(38)，用來(lái)檢測(cè)車(chē)輛運(yùn)行速度；傳感器(37)，用來(lái)檢測(cè)加速器踏板的下降量；傳感器(37)，用來(lái)檢測(cè)加速器踏板的下降速度；傳感器(39)，用來(lái)檢測(cè)蓄電池的SOC；其中控制器(33)基于上述檢測(cè)值的至少其中之一，確定是短期操作運(yùn)行模式還是正常運(yùn)行模式。
3.按照權(quán)利要求2限定的動(dòng)力裝置，其中當(dāng)滿(mǎn)足以下條件的任何其中之一時(shí)，控制器(33)確定為正常運(yùn)行模式當(dāng)所測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)時(shí)，當(dāng)車(chē)輛速度高時(shí)，當(dāng)加速器踏板下降量大時(shí)，加速器踏板的下降速度高時(shí)，或通過(guò)蓄電池的電能消耗大時(shí)。
4.按照權(quán)利要求1限定的動(dòng)力裝置，還包括日歷(57A)，用來(lái)測(cè)量日期；時(shí)鐘(57B)，用來(lái)測(cè)量時(shí)間；GPS(57C)，用來(lái)測(cè)量位置；其中控制器(33)通過(guò)結(jié)合一個(gè)或更多上述元件的輸出值，利用學(xué)習(xí)控制程序存儲(chǔ)車(chē)輛的日期/時(shí)間模式；并基于所存儲(chǔ)日期/時(shí)間運(yùn)行模式中的任一當(dāng)前輸出值，確定是正常運(yùn)行模式還是短期操作運(yùn)行模式。
5.一種車(chē)載設(shè)備的燃料電池動(dòng)力裝置，車(chē)載設(shè)備含有驅(qū)動(dòng)設(shè)備(29)，它在供給電能時(shí)驅(qū)動(dòng)車(chē)載設(shè)備，動(dòng)力裝置包括燃料電池(21)，它在供給燃料時(shí)產(chǎn)生電能；蓄電池(27)，它利用燃料電池產(chǎn)生的電能充電；電能調(diào)節(jié)設(shè)備(31)，它選擇分配從蓄電池和燃料電池至驅(qū)動(dòng)設(shè)備的電能；開(kāi)關(guān)(51)，它允許選擇正常運(yùn)行模式或短期操作運(yùn)行模式；和控制器(33)，它的作用是當(dāng)選擇短期操作運(yùn)行模式時(shí)，控制燃料電池和電能調(diào)節(jié)設(shè)備，以使燃料電池不被激活，并從蓄電池向驅(qū)動(dòng)設(shè)備供給電能。
6.按照權(quán)利要求5限定的動(dòng)力裝置，其中當(dāng)選擇正常運(yùn)行模式時(shí)，控制器(33)不僅激活燃料電池(21)，而且控制電能調(diào)節(jié)設(shè)備(31)，以從蓄電池(27)向驅(qū)動(dòng)設(shè)備(29)供給電能。
7.按照權(quán)利要求5限定的動(dòng)力裝置，還包括用以檢測(cè)蓄電池的SOC的傳感器(39)；其中當(dāng)選擇短期操作運(yùn)行模式時(shí)，控制器(33)基于所檢測(cè)的蓄電池中的殘留電荷，確定是否激活燃料電池(21)。
8.按照權(quán)利要求7限定的動(dòng)力裝置，其中如果所檢測(cè)的殘留電荷低，即使當(dāng)選擇短期操作運(yùn)行模式時(shí)，控制器(33)也激活燃料電池(21)。
9.一種車(chē)載設(shè)備的燃料電池動(dòng)力裝置，車(chē)載設(shè)備含有驅(qū)動(dòng)設(shè)備(29)，它在供給電能時(shí)驅(qū)動(dòng)車(chē)載設(shè)備，動(dòng)力裝置包括燃料電池(21)，它在供給燃料時(shí)產(chǎn)生電能；蓄電池(27)，它利用燃料電池產(chǎn)生的電能充電；傳感器(39)，用來(lái)檢測(cè)蓄電池的SOC；電能調(diào)節(jié)設(shè)備(31)，它選擇分配從蓄電池和燃料電池至驅(qū)動(dòng)設(shè)備的電能；開(kāi)關(guān)(51)，它允許選擇正常運(yùn)行模式或短期操作運(yùn)行模式；和控制器(33)，它的作用是估算激活燃料電池所需的能量；基于激活燃料電池所需的能量估算直至激活完成的時(shí)間；估算車(chē)輛操作直至所估算燃料電池激活時(shí)間完成的過(guò)程中的能量消耗；如果殘留電荷大于所估算能量消耗，當(dāng)選擇短期操作運(yùn)行模式時(shí)，控制燃料電池和電能調(diào)節(jié)設(shè)備，以使燃料電池不被激活，并從蓄電池向驅(qū)動(dòng)設(shè)備供給電能；并如果殘留蓄電池電荷小于所估算能量消耗時(shí)，即使當(dāng)選擇短期操作運(yùn)行模式時(shí)，也激活燃料電池。
10.按照權(quán)利要求9限定的動(dòng)力裝置，還包括一種執(zhí)行聲音顯示或視覺(jué)顯示的設(shè)備(55)；其中當(dāng)選擇短期操作運(yùn)行模式時(shí)，控制器(33)至少通過(guò)聲音顯示或視覺(jué)顯示通知駕駛者，燃料電池(21)正在被激活或激活已經(jīng)完成。
全文摘要
提供一種車(chē)載設(shè)備的燃料電池動(dòng)力裝置。車(chē)載設(shè)備含有驅(qū)動(dòng)設(shè)備(29)，它在供給電能時(shí)驅(qū)動(dòng)車(chē)載設(shè)備。動(dòng)力裝置包括燃料電池(21)，它在供給燃料時(shí)產(chǎn)生電能，蓄電池(27)，它利用燃料電池產(chǎn)生的電能充電，電能調(diào)節(jié)設(shè)備(31)，它選擇分配從燃料電池(21)和蓄電池(27)至驅(qū)動(dòng)設(shè)備(29)的電能，和控制器(33)，它控制運(yùn)行操作?？刂破?33)估算激活燃料電池(21)所需的能量，并當(dāng)激活燃料電池所需能量大于或等于判定值時(shí)，控制電能調(diào)節(jié)設(shè)備(31)，以使燃料電池不被激活，并從蓄電池(27)向驅(qū)動(dòng)設(shè)備(29)供給電能。通過(guò)這種方法，有可能避免啟動(dòng)操作過(guò)程中不必要的電能消耗。
文檔編號(hào)B60L11/18GK101056006SQ20071010611
公開(kāi)日2007年10月17日 申請(qǐng)日期2002年8月21日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月30日
發(fā)明者市川浩之, 巖崎靖和 申請(qǐng)人:日產(chǎn)自動(dòng)車(chē)株式會(huì)社