Procedimiento de gestión del funcionamiento de un sistema híbrido.

Procedimiento de gestión del funcionamiento de una alimentación en corriente continua híbrida, comprendiendo dicha alimentación una pila de combustible

(2), una batería (6) y un convertidor CC/CC (4) que incluye una entrada y una salida, estando la entrada del convertidor (4) conectada a la salida de la pila de combustible y estando la salida conectada a una carga variable (8) en paralelo con la batería, estando la pila de combustible formada por una pluralidad de celdas electroquímicas adaptadas para producir electricidad a partir de un gas combustible y un gas oxidante, caracterizado porque dicho procedimiento comprende las siguientes operaciones:

a) Proporcionar un flujo de gas combustible y un flujo de gas oxidante a cada una de las celdas electroquímicas;

b) Definir una consigna representativa de la carga variable;

c) Vigilar la presión de gas combustible y la presión de gas oxidante en la pila de combustible;

d) Regular la presión (P) en la pila de combustible a un primer valor de referencia;

e) Repartir la carga variable entre la pila de combustible (2) y la batería (6) en función de la consigna, haciendo variar la tensión de salida (Vcell) del convertidor CC/CC (4);

f) Vigilar una tensión representativa de la tensión en los bornes de al menos una de las celdas electroquímicas de la pila de combustible;

g) Vigilar la consigna;

si la tensión representativa de la tensión en los bornes de al menos una de las celdas supera un primer valor crítico predeterminado y si la consigna indica una disminución de la carga variable:

h) Interrumpir la operación (d) e interrumpir la operación (e); y

i) Regular la tensión representativa de la tensión en los bornes de al menos una de las celdas a un segundo valor de referencia adaptando la impedancia de entrada del convertidor CC/CC;

j) Repartir la carga variable entre la pila de combustible y la batería haciendo variar la presión.

Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E11168535.

Solicitante: Belenos Clean Power Holding AG.

Nacionalidad solicitante: Suiza.

Dirección: Seevorstadt 6 2502 Bienne SUIZA.

Inventor/es: BERNARD,Jérôme.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > PROCEDIMIENTOS O MEDIOS, p. ej., BATERIAS, PARA LA... > Pilas de combustible; Su fabricación > H01M8/04 (Disposiciones o procesos auxiliares, p. ej. para controlar la presión, para la circulación de fluidos)
  • SECCION H — ELECTRICIDAD > ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS > PROCEDIMIENTOS O MEDIOS, p. ej., BATERIAS, PARA LA... > H01M16/00 (Combinaciones estructurales de tipos diferentes de generadores electroquímicos)

PDF original: ES-2537613_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Procedimiento de gestión del funcionamiento de un sistema híbrido

La presente invención se refiere a un procedimiento de gestión del funcionamiento de una alimentación de corriente continua híbrida, comprendiendo dicha alimentación una pila de combustible, una batería y un convertidor CC/CCCC/CC que incluye una entrada y una salida, estando la entrada del convertidor conectada a la salida de la pila de combustible y estando la salida conectada a una carga variable en paralelo con la batería, estando la pila de combustible formada por una pluralidad de celdas electroquímicas adecuadas para producir electricidad a partir de un gas combustible y un gas oxidante.

CONTEXTO TECNOLÓGICO

Se conocen ensamblajes de bloques electroquímicos conectados en serie (a menudo denominados pilas). Los bloques electroquímicos así ensamblados pueden estar constituidos, por ejemplo, por elementos de acumulador, o también por celdas de combustible. Una celda de combustible es un dispositivo electroquímico previsto para convertir la energía química directamente en energía eléctrica. Por ejemplo, un tipo de celda de combustible Incluye un ánodo y un cátodo entre los que se dispone una membrana intercambiadora de protones, a menudo denominada membrana electrolítica pollmérlca. Este tipo de membrana permite dejar pasar únicamente los protones entre el ánodo y el cátodo de la celda de combustible. Al nivel del ánodo, el hidrógeno diatómico experimenta una reacción con objeto de producir iones H+ que van a atravesar la membrana electrolítica polimérica. Los electrones producidos por esta reacción se dirigen hacia el cátodo por un circuito externo a la celda de combustible, produciendo así una corriente eléctrica. Debido a que una única celda de combustible solo produce, en general, una pequeña tensión (alrededor de 1 voltio), se suelen ensamblar las celdas de combustible en serie para constituir pilas de celdas de combustible capaces de producir una tensión más elevada que es la suma de las tensiones de cada celda.

Estas pilas de combustible están habltualmente asociadas, en el caso de un uso en el sector del automóvil, a una batería con objeto de formar un sistema híbrido. Este sistema conecta en paralelo la pila de combustible y la batería, de manera que la pila de combustible y la batería alimentan simultáneamente o por separado el coche, a través de una sección común denominada bus. Esta hibridación permite asimismo a la pila de combustible recargar la batería. Un sistema híbrido se denomina "activo" cuando emplea un convertidor CC/CCCC/CC conectado a la salida de la pila de combustible, como se observa en la figura 1. Este convertidor CC/CC se utiliza para adaptar los niveles de tensión de la pila de combustible y de la batería, y para regular la potencia suministrada por la pila de combustible.

Ahora bien, esta regulación requiere la elaboración de una estrategia de control para repartir la potencia entre la pila de combustible y la batería en función de la demanda de potencia del motor eléctrico del coche y de las exigencias del sistema. Las exigencias del sistema que debe tener en cuenta la estrategia de control son las tensiones y las corrientes máximas de la pila de combustible y de la batería, las temperaturas límite que no se deben superar, el estado de carga de la batería, es decir, por ejemplo, que no se debe cargar la batería cuando ya está cargada al 100%, etc.

Una de las estrategias de control de dicho sistema híbrido consiste en regular el estado de carga de la batería alrededor de un valor nominal, sin alcanzar nunca el límite máximo o el límite mínimo de dicha batería. De este modo, la batería nunca necesita ser recargada desde el exterior, ya que su recarga está garantizada por la pila de combustible y, en su caso, por la recuperación de la energía cinética del vehículo cuando este último se encuentra en fase de frenado. Esto equivale a decir que la pila de combustible proporciona la potencia media consumida por el motor eléctrico del vehículo, mientras que la batería se utiliza como medio de tampón energético en carga o en descarga. Dicha estrategia se aplica regulando, por medio del convertidor CC/CC, la tensión del bus a un valor constante.

Un inconveniente de esta estrategia conocida es que no existe algo para impedir que la pila de combustible funcione en una zona de tensión denominada "en circuito abierto" u OCV (Open Circuit Voltage). Se entiende por zona de tensión "en circuito abierto" la zona de funcionamiento en la que la tensión por celda es superior a 0,85 - 0,9V/celda. Se sabe que semejante tensión reduce considerablemente la vida útil de la pila de combustible. Por lo tanto, no es deseable que la pila funcione en dicho modo.

Este modo de funcionamiento en zona denominada "en circuito abierto" puede producirse en el caso en que la pila es controlada únicamente con corriente a presión constante. Este procedimiento de control procede de la idea consistente en reducir la presión de funcionamiento de la pila de combustible a baja potencia para evitar la zona OCV. Sin embargo, hay que considerar que la dinámica de variación de la presión es mucho más lenta que la dinámica de variación de la corriente (del orden del segundo para la presión y del ms para la corriente). También cabe considerar que una disminución de la presión en la pila de combustible solo puede realizarse si se consume una corriente, y el valor de la corriente Influye directamente en la velocidad de reducción de la presión. Por lo tanto,

si la potencia de la pila de combustible varía instantáneamente (o rápidamente) de algún kilovatio a 0 kW, no será posible evitar la zona OCV, ya que no quedará corriente para reducir la presión y se dañará la pila de combustible.

RESUMEN DE LA INVENCIÓN

Un objeto de la presente invención es proporcionar un procedimiento de gestión del funcionamiento de un sistema híbrido, que comprende una pila de combustible y una batería, que permite optimizar las prestaciones del sistema híbrido y aumentar la vida útil de la pila de combustible.

A tal efecto, la invención tiene por objeto un procedimiento de gestión del funcionamiento de una alimentación de corriente continua híbrida de conformidad con la reivindicación 1 adjunta.

Una ventaja de la presente invención es permitir una mayor vida útil de la pila de combustible. En efecto, al optar por una regulación distinta según que el sistema híbrido se encuentra en modo de baja potencia o en modo de alta potencia, el sistema aprovecha las ventajas de ambos modos de regulación al mismo tiempo que descarta sus inconvenientes. Efectivamente, una regulación que emplea la variación de presión es ventajosa a baja potencia, ya que una baja potencia significa que la corriente es baja. Por lo tanto, la diferencia de reactividad entre la variación de corriente y la variación de presión no se deja sentir a baja potencia, mientras que a potencia elevada, es decir con una corriente elevada, esta diferencia puede implicar la entrada en zona OCV del sistema híbrido.

Unos modos de realización ventajosos del procedimiento según la presente invención son objeto de reivindicaciones dependientes adjuntas.

Un primer modo de realización ventajoso se define en la reivindicación 2.

En un segundo modo de realización ventajoso conforme a la reivindicación 3, la consigna representativa de la carga variable es la diferencia entre un tercer valor de referencia y la tensión de la batería medida.

En un tercer modo de realización ventajoso conforme a la reivindicación 4, la consigna representativa de la carga

variable es la diferencia entre la potencia solicitada por la carga variable y la potencia de salida de la pila de

combustible.

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Reivindicaciones:

1. Procedimiento de gestión del funcionamiento de una alimentación en corriente continua híbrida, comprendiendo dicha alimentación una pila de combustible (2), una batería (6) y un convertidor CC/CC (4) que incluye una entrada y una salida, estando la entrada del convertidor (4) conectada a la salida de la pila de combustible y estando la salida conectada a una carga variable (8) en paralelo con la batería, estando la pila de combustible formada por una pluralidad de celdas electroquímicas adaptadas para producir electricidad a partir de un gas combustible y un gas oxidante, caracterizado porque dicho procedimiento comprende las siguientes operaciones:

a) Proporcionar un flujo de gas combustible y un flujo de gas oxidante a cada una de las celdas electroquímicas;

b) Definir una consigna representativa de la carga variable;

c) Vigilar la presión de gas combustible y la presión de gas oxidante en la pila de combustible;

d) Regular la presión (P) en la pila de combustible a un primer valor de referencia;

e) Repartir la carga variable entre la pila de combustible (2) y la batería (6) en función de la consigna, haciendo variar la tensión de salida (Vcell) del convertidor CC/CC (4);

f) Vigilar una tensión representativa de la tensión en los bornes de al menos una de las celdas electroquímicas de la pila de combustible;

g) Vigilar la consigna;

si la tensión representativa de la tensión en los bornes de al menos una de las celdas supera un primer valor crítico predeterminado y si la consigna indica una disminución de la carga variable:

h) Interrumpir la operación (d) e interrumpir la operación (e); y

i) Regular la tensión representativa de la tensión en los bornes de al menos una de las celdas a un segundo valor de referencia adaptando la impedancia de entrada del convertidor CC/CC;

j) Repartir la carga variable entre la pila de combustible y la batería haciendo variar la presión.

2. Procedimiento de gestión según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende además las operaciones de:

si la presión en la pila de combustible supera un segundo valor crítico predeterminado y si la consigna indica un aumento de la carga variable:

k) Interrumpir la operación (I) e Interrumpir la operación (j) y reanudar la operación (d) y la operación (e).

3. Procedimiento de gestión según la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque la consigna representativa de la carga variable es la diferencia (s) entre un tercer valor de referencia y la tensión de batería medida (Vbatt).

4. Procedimiento de gestión según la reivindicación 1 o 2, caracterizado porque la consigna representativa de la carga variable es la diferencia entre la potencia solicitada por la carga variable y la potencia de salida de la pila de combustible.

5. Procedimiento de gestión según una de las reivindicaciones 2, 3 dependientes de 2 o 4 dependientes de 2, caracterizado porque el segundo valor crítico es de 2,45 bares.

6. Procedimiento de gestión según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el primer valor crítico predeterminado es de 0,845 voltios.

7. Procedimiento de gestión según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el segundo valor de referencia es el valor de 0,85V por celda.

8. Procedimiento de gestión según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el primer valor de referencia es de 2,5 bares.

9. Procedimiento de gestión según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la pila de combustible (2) utiliza hidrógeno como gas combustible y oxígeno como gas oxidante.

10. Sistema de gestión de una alimentación de corriente continua híbrida, comprendiendo dicha alimentación una pila de combustible (2), una batería (6) y un convertidor CC/CC (4) que incluye una entrada y una salida, estando la entrada del convertidor conectada a la salida de la pila de combustible y estando la salida conectada a una carga variable en paralelo con la batería (6), estando la pila de combustible formada por una pluralidad de celdas electromagnéticas adaptadas para producir electricidad a partir de un gas combustible y de un gas oxidante, caracterizado porque dicho sistema es apto para funcionar bajo un primer modo de funcionamiento en el que la regulación se lleva a cabo mediante un primer bucle de regulación (9) que proporciona una primera consigna (Signal-1) al convertidor CC/CC (4) que controla el valor de la corriente suministrada en la pila de combustible, comprendiendo dicho primer bucle un primer comparador (10) que compara una consigna de tensión de pila de combustible (VcellO) con una tensión de pila de combustible (Vcell) medida, estando la salida de este primer comparador conectada a un primer controlador de tensión (12), y un segundo bucle de regulación (11) que

suministra una segunda consigna (Signal-P) para hacer variar la presión de la pila de combustible, comprendiendo dicho segundo bucle de regulación un segundo comparador (14) que compara una consigna de tensión de batería (VbattO) con una tensión de batería (Vbatt), estando la salida de este segundo comprador conectada a un segundo controlador de tensión (16), y porque dicho sistema es capaz de funcionar en un segundo modo de funcionamiento 5 en el que se lleva a cabo la regulación mediante un tercer bucle de regulación (13) que suministra una tercera consigna (Signal-2) al convertidor CC/CC para hacer variar la corriente de la pila de combustible (2), comprendiendo el tercer bucle de regulación un tercer comparador (18) que compara una consigna de tensión de batería (VbattO) con una tensión de batería medida (Vbatt), estando la salida de este tercer comparador (18) conectada a un tercer controlador de tensión (20).