使用燃料電池的電力供應系統、用于所述電力供應系統的控制器和控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及使用燃料電池(cell)的電力供應系統，并且涉及用于控制這樣的系統的控制器，以及該系統本身和控制方法。
【背景技術】
[0002]本發明可以應用于各種各樣的應用。
[0003]—個應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能輸入變化的太陽能供電系統。這些太陽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程期間的日出和日落時間改變。太陽能供電系統可以包括照明系統，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”)電池尺寸過大。其還提供后備容量以渡過若干天的惡劣天氣。
[0005]另一應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，已經在過去開發了所謂的氧氣集中器。例如，對應技術在US6551384中良好地描述。當前，通過蓄電池(battery)為移動氧氣生成器供電。在最高氧氣生成設定上，用戶可能經歷蓄電池的相對快速的耗用。當蓄電池耗盡時，用戶需要訪問具有墻壁插座的位置以使得系統能夠從電網為蓄電池充電。自然地，用戶可以在移動時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。燃料電池系統可以在沒有連接到墻壁插座以便為蓄電池充電的情況下提供相對長時段的能量供應。PEM燃料電池的壽命是個問題，特別是如果燃料電池暴露于微量的C0的話，因為隔膜將遭受降級。為了延長燃料電池堆的服務壽命，其可以是超大尺寸的，或者可以采用空氣過濾或者可以提供純凈氧氣源。
[0008]在以上提及的兩個示例中，基于負載的性質，不存在對于來自燃料電池的電氣電力的恒定、平坦產生需求。在照明情況下，需求在夜晚過程期間以及季節性地而變化。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的。
[0009]設計包括燃料電池的系統的一種方式是設計用于得到具有最大服務壽命和最小開/關循環的效果的系統。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生，并且患者的氧氣需求中的變化要在其之上產生。
[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公開了一種混合電力供應系統，其中燃料電池在準穩定狀態模式中操作。燃料電池取決于蓄電池的電荷狀態而在輸出電流的離散集合中的一個處操作。特別地，當使用恒定電壓充電制度進行充電時，將燃料電池電流設定選擇為滿足蓄電池的電流接受限制。
[0011]本文檔認識到，燃料電池操作和蓄電池充電功能二者每一個都可以被優化以延長壽命。目標是具有總是按需波動的負載的應用。
【發明內容】
[0012]當前發明的目標尤其在于關于前述效果中的任何一個或二者進行優化。本發明由獨立權利要求限定。從屬權利要求限定有利的實施例。
[0013]根據本發明的控制器用于控制從至少一個燃料電池和至少一個輔助/次級電力供應二者向負載的電氣電力的(優選地總體)供應。控制器配置成在第二供應時間段期間同時使用用于電氣電力向負載的恒定第二供應的至少一個燃料電池(24)以及用于電氣電力向負載的附加第二供應的至少一個次級電力供應(36)，其中電氣電力的恒定第二供應的水平低于電氣電力的恒定第一供應的水平。
[0014]控制器因而使得能夠實現，相比于第一供應時間段期間的水平，燃料電池電氣電力輸出在第二供應時間段中保持在恒定的減小水平處。于是，該控制器通過在第二供應時間段中為燃料電池提供恢復時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系統能夠具有延長的壽命。而且，針對燃料電池和系統的壽命延長可以由于以下事實而獲得:次級電力源用于應對負載的電力需求中的快速改變。通過燃料電池向負載的電氣電力的恒定第一和/或第二供應可以包括電氣電力的恒定電壓或恒定電流供應。
[0015]優選地，第二供應時間段與第一供應時間段不同。第二供應時間段優選地跟隨在第一供應時間段之后(或者甚至緊隨其后)。時段可以被選擇成使得在從第一去往第二中，可以簡單地使燃料電池電力輸出節流。
[0016]向負載的電氣電力的恒定第一供應可以低于向負載的電氣電力供應，使得其提供負載的整個電力需求的部分。這使得能夠實現第一和第二供應時間段期間的可變電力需求和燃料電池恢復時間。
[0017]可替換地，電氣電力的恒定第一供應可以與向負載的整個電氣電力供應相同(SP與負載的整個電氣需求相同)。控制器現在使得能夠實現僅通過燃料電池供應恒定電力，使得次級電力供應的循環可以保持到最小值以便增加其壽命。
[0018]本發明使得能夠實現用于負載的次級電力供應和包括燃料電池的系統的特別高效且長壽命的實現，負載具有恒定需求時段和/或可變需求時段。在本發明可以延長燃料電池和次級電力源的壽命的同時，向負載的電力提供不需要停止或減少，因為第二電力供應可以至少補償由于燃料電池的電力供應中的差異。
[0019]由燃料電池產生的電力在第一和第二供應時間段期間是恒定的。如果負載仍舊需要可變電力供應，則附加第二電力供應可以是可變電力供應。因而，在燃料電池仍舊通過恒定電力供應而享受壽命延長并且能夠在第二供應時間段期間恢復的同時，次級電力供應(例如蓄電池)可以用于應對電力需求中的(快速)改變。
[0020]在第二供應時間段之后，可以存在其中通過燃料電池向負載遞送電氣電力的恒定第三供應的第三供應時間段。電氣電力的第三供應可以關于電氣電力的恒定第二供應而增加、與之相同或者高于它。因而，在燃料電池再生(恢復)之后，燃料電池可以回復到較高電力水平(例如，如在另一第一供應時間段中那樣)。該方案幫助增加次級電力供應在其被實現為例如蓄電池時的壽命，因為蓄電池受壓較小。[0021 ] 在一個可替換方案中，電氣電力的第三供應與電氣電力的第一供應相同。
[0022]在本發明中，次級電力供應可以包括可再充電設備。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備。可以使用不同類型的可再充電蓄電池，包括金屬混合物、Li離子等。
[0023]優選地，在第二供應時間段中的燃料電池再生(恢復)之后，燃料電池可以用于在第三供應時間段中為可再充電次級電力供應(例如可再充電蓄電池)再充電以確保次級電力供應(例如可再充電蓄電池)被再充電，優選地(回)到其理想電荷狀態。蓄電池的再充電還可以取決于來自輸出負載的需求而進行控制，并且再次保持為燃料電池輸出中的最小變化。控制器還可以適配成在第四供應時間段期間停止來自燃料電池的電氣電力的供應。當使用可再充電次級電力源(例如蓄電池)時，將在沒有負載的電力需求并且次級電力源也不需要再充電時使用第四供應時間段。
[0024]當使用可再充電次級電力源(例如蓄電池)時，蓄電池充電可以被控制成延長蓄電池壽命。例如，控制器可以適配成:
從蓄電池向負載供應電氣電力直到存在預確定的電壓，該預確定的電壓大于蓄電池可以放電至的最小電壓。
[0025]通過避免完全放電，可以延長蓄電池壽命，特別是對于鉛和鋰離子蓄電池而言。預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確定的最大電壓。通過避免完全充電，蓄電池壽命可以延長，特別是對于遭受高電荷狀態的鋰離子蓄電池而言。
[0027]預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現在放電至預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，但是系統應當規定總體全部負載(用于充電和另一負載，諸如例如燈或輔助系統)保持具有恒定水平，因此燃料電池可以繼續產生相同的總體電力水平。
[0030]控制器可以配置成周期性地關斷燃料電池和由蓄電池提供的所要求的供應，或者否則可以連續地使用燃料電池，但是具有時段節流。
[0031]如上文提及的，本發明(控制器、包括控制器的系統或者控制方法)對于其中存在可以在第一供應時間段期間滿足的恒定負載需求的已知時段的應用而言是特別感興趣的。例如，在照明應用的情況下，第一供應時間段可以是當要求燈以最大明亮度運行時的時段，從而具有恒定電力需求。在街道照明的情況下，這可以是在夜晚結束和清早時的窺視交通時間期間。次級電力供應不需要用于該時段，使得蓄電池壽命通過減少蓄電池循環而延長。
[0032]控制器還可以配置成取決于一年中的時間而自動地控制第一、第二和/或第三供應時段以及對應的電力水平。
[0033]本發明還提供一種包括控制器以及燃料電池和次級電力供應中的至少一個或二者的系統。如所解釋的，這樣的系統可以有利地用于向負載供應恒定或可變的電力而同時系統壽命關于不具有控制器的系統有所延長。
[0034]在本發明的這方面和任何其它方面(例如控制器、控制方法和計算機程序產品)中，燃料電池可以是基于氫氣、乙醇或其它燃料的。次級電力供應可以是電氣電力供應和/或可再充電電力供應。優選地，次級電力供應是蓄電池或者甚至是可再充電蓄電池。
[0035]此外，系統可以包括負載。在第一示例中，負載可以包括照明單元、室外照明單元或街道照明單元。