使用燃料電池的電力供應(yīng)系統(tǒng)、用于所述電力供應(yīng)系統(tǒng)的控制器和控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及使用燃料電池(cell)的電力供應(yīng)系統(tǒng)，并且涉及用于控制這樣的系統(tǒng)的控制器，以及該系統(tǒng)本身和控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]本發(fā)明可以應(yīng)用于各種各樣的應(yīng)用。
[0003]—個(gè)應(yīng)用范圍是其中燃料電池提供后備電力以使得能夠容許太陽(yáng)能輸入變化的太陽(yáng)能供電系統(tǒng)。這些太陽(yáng)能輸入變化可能是由于短期天氣改變，而且還可能涉及一年的過(guò)程期間的日出和日落時(shí)間改變。太陽(yáng)能供電系統(tǒng)可以包括照明系統(tǒng)，諸如街道照明或室外照明。
[0004]再生燃料電池的使用使得能夠避免光伏(“PV”)電池尺寸過(guò)大。其還提供后備容量以渡過(guò)若干天的惡劣天氣。
[0005]另一應(yīng)用是用于使用在作為治療模式的氧氣投給(administrat1n)中的氧氣生成器。
[0006]為了按需生成氧氣，已經(jīng)在過(guò)去開(kāi)發(fā)了所謂的氧氣集中器。例如，對(duì)應(yīng)技術(shù)在US6551384中良好地描述。當(dāng)前，通過(guò)蓄電池(battery)為移動(dòng)氧氣生成器供電。在最高氧氣生成設(shè)定上，用戶可能經(jīng)歷蓄電池的相對(duì)快速的耗用。當(dāng)蓄電池耗盡時(shí)，用戶需要訪問(wèn)具有墻壁插座的位置以使得系統(tǒng)能夠從電網(wǎng)為蓄電池充電。自然地，用戶可以在移動(dòng)時(shí)隨其攜帶備用電池組，但是這增加重量。
[0007]為了便攜式氧氣生成器的增加的自主性，可以使用燃料電池。燃料電池系統(tǒng)可以在沒(méi)有連接到墻壁插座以便為蓄電池充電的情況下提供相對(duì)長(zhǎng)時(shí)段的能量供應(yīng)。PEM燃料電池的壽命是個(gè)問(wèn)題，特別是如果燃料電池暴露于微量的C0的話，因?yàn)楦裟⒃馐芙导?jí)。為了延長(zhǎng)燃料電池堆的服務(wù)壽命，其可以是超大尺寸的，或者可以采用空氣過(guò)濾或者可以提供純凈氧氣源。
[0008]在以上提及的兩個(gè)示例中，基于負(fù)載的性質(zhì)，不存在對(duì)于來(lái)自燃料電池的電氣電力的恒定、平坦產(chǎn)生需求。在照明情況下，需求在夜晚過(guò)程期間以及季節(jié)性地而變化。在氧氣生成器情況下，需求取決于用戶。其它這樣的可變需求將是顯而易見(jiàn)的。
[0009]設(shè)計(jì)包括燃料電池的系統(tǒng)的一種方式是設(shè)計(jì)用于得到具有最大服務(wù)壽命和最小開(kāi)/關(guān)循環(huán)的效果的系統(tǒng)。在氧氣生成器的情況下，這要求用于燃料電池的恒定氧氣產(chǎn)生，并且患者的氧氣需求中的變化要在其之上產(chǎn)生。
[0010]另外，在具有燃料電池和蓄電池的裝置中，存在使得能夠最大化蓄電池壽命和燃料電池壽命的沖突的使用要求。W002/097909公開(kāi)了一種混合電力供應(yīng)系統(tǒng)，其中燃料電池在準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)模式中操作。燃料電池取決于蓄電池的電荷狀態(tài)而在輸出電流的離散集合中的一個(gè)處操作。特別地，當(dāng)使用恒定電壓充電制度進(jìn)行充電時(shí)，將燃料電池電流設(shè)定選擇為滿足蓄電池的電流接受限制。
[0011]本文檔認(rèn)識(shí)到，燃料電池操作和蓄電池充電功能二者每一個(gè)都可以被優(yōu)化以延長(zhǎng)壽命。目標(biāo)是具有總是按需波動(dòng)的負(fù)載的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]當(dāng)前發(fā)明的目標(biāo)尤其在于關(guān)于前述效果中的任何一個(gè)或二者進(jìn)行優(yōu)化。本發(fā)明由獨(dú)立權(quán)利要求限定。從屬權(quán)利要求限定有利的實(shí)施例。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的控制器用于控制從至少一個(gè)燃料電池和至少一個(gè)輔助/次級(jí)電力供應(yīng)二者向負(fù)載的電氣電力的(優(yōu)選地總體)供應(yīng)。控制器配置成在第二供應(yīng)時(shí)間段期間同時(shí)使用用于電氣電力向負(fù)載的恒定第二供應(yīng)的至少一個(gè)燃料電池(24)以及用于電氣電力向負(fù)載的附加第二供應(yīng)的至少一個(gè)次級(jí)電力供應(yīng)(36)，其中電氣電力的恒定第二供應(yīng)的水平低于電氣電力的恒定第一供應(yīng)的水平。
[0014]控制器因而使得能夠?qū)崿F(xiàn)，相比于第一供應(yīng)時(shí)間段期間的水平，燃料電池電氣電力輸出在第二供應(yīng)時(shí)間段中保持在恒定的減小水平處。于是，該控制器通過(guò)在第二供應(yīng)時(shí)間段中為燃料電池提供恢復(fù)時(shí)間而使得燃料電池壽命以及因而還有包括這樣的燃料電池的電力供應(yīng)系統(tǒng)能夠具有延長(zhǎng)的壽命。而且，針對(duì)燃料電池和系統(tǒng)的壽命延長(zhǎng)可以由于以下事實(shí)而獲得:次級(jí)電力源用于應(yīng)對(duì)負(fù)載的電力需求中的快速改變。通過(guò)燃料電池向負(fù)載的電氣電力的恒定第一和/或第二供應(yīng)可以包括電氣電力的恒定電壓或恒定電流供應(yīng)。
[0015]優(yōu)選地，第二供應(yīng)時(shí)間段與第一供應(yīng)時(shí)間段不同。第二供應(yīng)時(shí)間段優(yōu)選地跟隨在第一供應(yīng)時(shí)間段之后(或者甚至緊隨其后)。時(shí)段可以被選擇成使得在從第一去往第二中，可以簡(jiǎn)單地使燃料電池電力輸出節(jié)流。
[0016]向負(fù)載的電氣電力的恒定第一供應(yīng)可以低于向負(fù)載的電氣電力供應(yīng)，使得其提供負(fù)載的整個(gè)電力需求的部分。這使得能夠?qū)崿F(xiàn)第一和第二供應(yīng)時(shí)間段期間的可變電力需求和燃料電池恢復(fù)時(shí)間。
[0017]可替換地，電氣電力的恒定第一供應(yīng)可以與向負(fù)載的整個(gè)電氣電力供應(yīng)相同(SP與負(fù)載的整個(gè)電氣需求相同)?？刂破鳜F(xiàn)在使得能夠?qū)崿F(xiàn)僅通過(guò)燃料電池供應(yīng)恒定電力，使得次級(jí)電力供應(yīng)的循環(huán)可以保持到最小值以便增加其壽命。
[0018]本發(fā)明使得能夠?qū)崿F(xiàn)用于負(fù)載的次級(jí)電力供應(yīng)和包括燃料電池的系統(tǒng)的特別高效且長(zhǎng)壽命的實(shí)現(xiàn)，負(fù)載具有恒定需求時(shí)段和/或可變需求時(shí)段。在本發(fā)明可以延長(zhǎng)燃料電池和次級(jí)電力源的壽命的同時(shí)，向負(fù)載的電力提供不需要停止或減少，因?yàn)榈诙娏?yīng)可以至少補(bǔ)償由于燃料電池的電力供應(yīng)中的差異。
[0019]由燃料電池產(chǎn)生的電力在第一和第二供應(yīng)時(shí)間段期間是恒定的。如果負(fù)載仍舊需要可變電力供應(yīng)，則附加第二電力供應(yīng)可以是可變電力供應(yīng)。因而，在燃料電池仍舊通過(guò)恒定電力供應(yīng)而享受壽命延長(zhǎng)并且能夠在第二供應(yīng)時(shí)間段期間恢復(fù)的同時(shí)，次級(jí)電力供應(yīng)(例如蓄電池)可以用于應(yīng)對(duì)電力需求中的(快速)改變。
[0020]在第二供應(yīng)時(shí)間段之后，可以存在其中通過(guò)燃料電池向負(fù)載遞送電氣電力的恒定第三供應(yīng)的第三供應(yīng)時(shí)間段。電氣電力的第三供應(yīng)可以關(guān)于電氣電力的恒定第二供應(yīng)而增加、與之相同或者高于它。因而，在燃料電池再生(恢復(fù))之后，燃料電池可以回復(fù)到較高電力水平(例如，如在另一第一供應(yīng)時(shí)間段中那樣)。該方案幫助增加次級(jí)電力供應(yīng)在其被實(shí)現(xiàn)為例如蓄電池時(shí)的壽命，因?yàn)樾铍姵厥軌狠^小。[0021 ] 在一個(gè)可替換方案中，電氣電力的第三供應(yīng)與電氣電力的第一供應(yīng)相同。
[0022]在本發(fā)明中，次級(jí)電力供應(yīng)可以包括可再充電設(shè)備。這可以是諸如可再充電蓄電池之類的電氣可再充電電氣設(shè)備?？梢允褂貌煌愋偷目稍俪潆娦铍姵兀ń饘倩旌衔?、Li離子等。
[0023]優(yōu)選地，在第二供應(yīng)時(shí)間段中的燃料電池再生(恢復(fù))之后，燃料電池可以用于在第三供應(yīng)時(shí)間段中為可再充電次級(jí)電力供應(yīng)(例如可再充電蓄電池)再充電以確保次級(jí)電力供應(yīng)(例如可再充電蓄電池)被再充電，優(yōu)選地(回)到其理想電荷狀態(tài)。蓄電池的再充電還可以取決于來(lái)自輸出負(fù)載的需求而進(jìn)行控制，并且再次保持為燃料電池輸出中的最小變化?？刂破鬟€可以適配成在第四供應(yīng)時(shí)間段期間停止來(lái)自燃料電池的電氣電力的供應(yīng)。當(dāng)使用可再充電次級(jí)電力源(例如蓄電池)時(shí)，將在沒(méi)有負(fù)載的電力需求并且次級(jí)電力源也不需要再充電時(shí)使用第四供應(yīng)時(shí)間段。
[0024]當(dāng)使用可再充電次級(jí)電力源(例如蓄電池)時(shí)，蓄電池充電可以被控制成延長(zhǎng)蓄電池壽命。例如，控制器可以適配成:
從蓄電池向負(fù)載供應(yīng)電氣電力直到存在預(yù)確定的電壓，該預(yù)確定的電壓大于蓄電池可以放電至的最小電壓。
[0025]通過(guò)避免完全放電，可以延長(zhǎng)蓄電池壽命，特別是對(duì)于鉛和鋰離子蓄電池而言。預(yù)確定的最小電壓可以是蓄電池可以充電至的最大電壓的5%到20%。
[0026]控制器可以適配成將蓄電池再充電至蓄電池可以充電到的最大電壓以下的預(yù)確定的最大電壓。通過(guò)避免完全充電，蓄電池壽命可以延長(zhǎng)，特別是對(duì)于遭受高電荷狀態(tài)的鋰離子蓄電池而言。
[0027]預(yù)確定的最大電壓可以是蓄電池可以充電至的最大電壓的70%到95%，并且這可以取決于充電率。控制器可以適配成實(shí)現(xiàn)在放電至預(yù)確定的蓄電池電壓之后為蓄電池再充電之前的延遲。
[0028]控制器可以適配成僅使用恒定電流充電從燃料電池為蓄電池再充電。這使得燃料電池上的電力需求在充電階段期間能夠保持恒定，于是再次延長(zhǎng)燃料電池的壽命。
[0029]控制器可以適配成在充電的恒定電流階段期間逐步降低固定充電速率，因此更多電荷可以注入到蓄電池中，但是系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)規(guī)定總體全部負(fù)載(用于充電和另一負(fù)載，諸如例如燈或輔助系統(tǒng))保持具有恒定水平，因此燃料電池可以繼續(xù)產(chǎn)生相同的總體電力水平。
[0030]控制器可以配置成周期性地關(guān)斷燃料電池和由蓄電池提供的所要求的供應(yīng)，或者否則可以連續(xù)地使用燃料電池，但是具有時(shí)段節(jié)流。
[0031]如上文提及的，本發(fā)明(控制器、包括控制器的系統(tǒng)或者控制方法)對(duì)于其中存在可以在第一供應(yīng)時(shí)間段期間滿足的恒定負(fù)載需求的已知時(shí)段的應(yīng)用而言是特別感興趣的。例如，在照明應(yīng)用的情況下，第一供應(yīng)時(shí)間段可以是當(dāng)要求燈以最大明亮度運(yùn)行時(shí)的時(shí)段，從而具有恒定電力需求。在街道照明的情況下，這可以是在夜晚結(jié)束和清早時(shí)的窺視交通時(shí)間期間。次級(jí)電力供應(yīng)不需要用于該時(shí)段，使得蓄電池壽命通過(guò)減少蓄電池循環(huán)而延長(zhǎng)。
[0032]控制器還可以配置成取決于一年中的時(shí)間而自動(dòng)地控制第一、第二和/或第三供應(yīng)時(shí)段以及對(duì)應(yīng)的電力水平。
[0033]本發(fā)明還提供一種包括控制器以及燃料電池和次級(jí)電力供應(yīng)中的至少一個(gè)或二者的系統(tǒng)。如所解釋的，這樣的系統(tǒng)可以有利地用于向負(fù)載供應(yīng)恒定或可變的電力而同時(shí)系統(tǒng)壽命關(guān)于不具有控制器的系統(tǒng)有所延長(zhǎng)。
[0034]在本發(fā)明的這方面和任何其它方面(例如控制器、控制方法和計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品)中，燃料電池可以是基于氫氣、乙醇或其它燃料的。次級(jí)電力供應(yīng)可以是電氣電力供應(yīng)和/或可再充電電力供應(yīng)。優(yōu)選地，次級(jí)電力供應(yīng)是蓄電池或者甚至是可再充電蓄電池。
[0035]此外，系統(tǒng)可以包括負(fù)載。在第一示例中，負(fù)載可以包括照明單元、室外照明單元或街道照明單元。