控制燃料電池混合系統的操作的系統和方法
2023-09-23 16:10:40 1
專利名稱：控制燃料電池混合系統的操作的系統和方法
技術領域：
本發明涉及一種控制燃料電池混合系統的操作的系統和方法。更特別地，本發明涉及一種通過使用燃料電池作為主動力源並使用能量儲存裝置作為輔助動力源來控制燃料電池混合系統的操作的系統和方法，其能夠有效地避免燃料電池在操作期間的低功率和低效率區域。
背景技術：
氫燃料電池車內的典型燃料電池系統包括通過反應氣體的電化學反應產生電力的燃料電池堆，將作為燃料的氫氣供應給燃料電池堆的氫氣處理系統，供應作為燃料電池堆中的電化學反應所需的氧化劑的含氧空氣的空氣處理系統，以及熱管理系統(TMS)。TMS 負責將反應熱從燃料電池堆排放到燃料電池系統的外部、控制燃料電池堆的操作溫度、以及執行水管理功能。在車輛的燃料電池系統中，當僅燃料電池被用作車輛的動力源時，構成車輛的所有負載由燃料電池供以電力，並且因此燃料電池的性能可能會在操作期間惡化，在這種情況下燃料電池的效率較低。因此，當突然有負載施加到車輛時，燃料電池的輸出電壓突然下降，並且因此未能將足夠的動力供應給驅動電動機，這可能會惡化車輛的性能。此外，燃料電池具有單向輸出特性，並且因此難以在車輛制動期間從驅動電動機恢復能量。因此，這也會惡化車輛的性能。在致力於克服這些缺點的過程中，汽車工業已經發展出燃料電池混合動力車。除了作為主動力源的燃料電池之外，燃料電池混合動力車還配備有作為輔助動力源的適合的能量儲存裝置(諸如高電壓電池或超級電容器)來提供驅動驅動電動機和高電壓部件所需的適合的動力。在該混合系統中，使用在車輛的怠速狀態下停止燃料電池發電的怠速停止模式。 為了避免低功率區域並因此改善燃料電池系統的效率和提高耐久性，已經提出了用於低效率區域的避免操作的各種方法。典型地，在燃料電池和超級電容器直接連接在一起的系統中，切斷空氣供應以關掉燃料電池混合系統的輸出。通過這樣做，燃料電池的輸出通過雙向功率變換器的電壓而被直接控制。更具體地，美國專利第7，196，492號公開了一種實現燃料電池超級電容器混合系統的怠速停止模式的方法，其中基於主母線端子的電壓及其變化率來確定怠速停止模式， 並且通過位於燃料電池一端的開關的操作來暫停燃料電池的發電。此外，美國專利第7，377，345號公開了一種用於配備有功率變換器的燃料電池車的怠速控制系統。在該實例中，當車輛負載較小時(即，在正常負載跟蹤操作期間)執行燃料電池在最佳效率點工作的發電模式，並且當能量較高時執行停止燃料電池發電的發電停止模式。
此外，也由本申請人提交的韓國專利公開10-2010-0005768公開了一種包括燃料電池和儲存裝置的燃料電池混合動力車的怠速停止啟動控制方法，其中在特定電壓下切斷空氣供應使得燃料電池的發電被自動停止而不需要開關或功率變換器的操作。然而，迄今，尚未有效地發展出能夠有效地避免燃料電池在操作期間的低功率和低效率區域的用於控制燃料電池混合系統的操作的系統和方法。特別是關於更高效的怠速停止啟動控制系統和方法，情況確實是如此。本背景技術部分中公開的上述信息只是為了增強對本發明的背景的理解，並且因此可能包含不構成在該國對本領域普通技術人員而言已知的現有技術的信息。
發明內容
本發明提供了一種控制燃料電池混合系統的操作的系統和方法。更具體地，本發明包括作為主動力源的燃料電池和作為輔助動力源的能量儲存裝置。有利地，本系統可以有效地避免燃料電池在操作期間的低功率和低效率區域，並提供更高效的怠速停止啟動控制。在一個方面中，本發明提供了一種控制燃料電池混合系統的操作的系統和方法。 更具體地，該系統和方法允許車輛以燃料電池系統的正常操作模式運行。如果怠速停止條件在燃料電池系統的正常操作模式期間得到滿足，則切斷對燃料電池的空氣供應以便停止燃料電池的發電並減小燃料電池的電壓。然後，雙向高電壓DC-DC轉換器的電壓被減小。該 DC-DC轉換器例證性地連接在高電壓電池和主母線端子之間。結果，燃料電池的輸出被控制為被保持的預定值(V②)。當保持預定值時，高電壓電池由通過保持DC-DC轉換器的減小的電壓而產生的燃料電池的輸出電流強制充電。通過這樣做，陰極中的氧氣被消耗並且燃料電池的電壓變得比DC-DC轉換器的電壓低。在另一實施例中，在燃料電池系統的正常操作模式中，執行負載跟蹤操作控制。在負載跟蹤操作控制中，燃料電池的輸出根據負載而被控制。另外，執行電壓上限控制使得燃料電池的低輸出區域的使用通過雙向高電壓DC-DC轉換器的電壓上限控制而被限制。更具體地，在電壓上限控制中，確定雙向高電壓DC-DC轉換器的電壓控制上限值並且把在操作期間根據負載控制的雙向高電壓DC-DC轉換器的電壓限制到雙向高電壓DC-DC轉換器的電壓控制上限值。在本發明的另一實施例中，響應於重新啟動條件在燃料電池系統的怠速停止模式中得到滿足，雙向高電壓DC-DC轉換器的電壓可以增大到預定值(V③)並保持在該預定值 (V )。然後在主母線端子的電壓增大的狀態下，燃料電池系統可以通過啟動對燃料電池的空氣供應而被重新啟動，使得燃料電池的電壓增大到預定值(V③)並且產生燃料電池的電流輸出。在燃料電池已經被穩定(例如，重新啟動處理已經終止)並且燃料電池系統進入正常操作模式之後，取消雙向高電壓DC-DC轉換器的電壓的預定值(V③)的保持。本發明的其它方面和實施例在下文中討論。
現在將參考通過附圖示出的本發明的某些示例性實施例來詳細描述本發明的上述及其它特徵，其中附圖將在下文中僅通過例證的方式給出，並且因此並非對本發明進行限制，其中圖1是示出根據本發明的示例性實施例的控制系統和方法所應用於的燃料電池混合系統的配置的示意圖。圖2是示出在根據本發明的示例性實施例的控制處理中用於確定燃料電池系統的怠速停止條件、怠速停止禁止條件和啟動條件的標準的圖。圖3是示出用於確定車輛負載條件的標準的圖。圖4是示出根據本發明的示例性實施例的燃料電池系統的怠速停止啟動處理的圖。圖5是示出根據本發明的示例性實施例的燃料電池系統的怠速停止啟動處理的實例的圖。附圖中陳列的附圖標記包括對下面進一步討論的以下元件的引用10 燃料電池11 主母線端子13 二極體14:繼電器20:高電壓電池21 雙向高電壓DC-DC轉換器(BHDC)31 逆變器32:驅動電動機40:低電壓電池41:低電壓電子負載42 低電壓 DC-DC 轉換器(LDC)應該理解的是，附圖不一定要依比例，而是呈現出說明本發明的基本原理的各種特徵的稍微簡化的表示。本文中公開的本發明的特定設計特徵，包括例如特定尺寸、方向、 位置和形狀，將部分地由期望的特定應用和使用環境來確定。在附圖中，附圖標記在附圖的幾幅圖中始終指代本發明的相同或等效部分。
具體實施例方式現在將在下文中詳細參考本發明的各種實施例，其實例在附圖中示出並在下面描述。雖然將結合示例性實施例來描述本發明，但應理解的是，本說明並非旨在將本發明限於那些示例性實施例。相反，本發明旨在不僅涵蓋這些示例性實施例，而且涵蓋可包括在所附權利要求所限定的本發明的精神和範圍內的各種替代形式、改型、等效形式和其它實施例。應該理解的是，本文中使用的術語「車輛」或「車輛的」或其它類似術語包括一般的機動車輛(諸如包括運動型多功能車(SUV)、公共汽車、卡車、各種商用車輛在內的客車)、 包括各種艇和船在內的水運工具、飛行器等，並且包括混合動力車、電動車、插電式混合電動車、氫動力車以及其它代用燃料車(例如從除石油以外的資源中取得的燃料)。如本文中所述，混合動力車是具有兩個或更多個動力源的車輛，例如既有汽油動力又有電動力的車輛。本發明提供了一種控制燃料電池混合系統的操作的系統和方法。更具體地，燃料電池混合系統包括作為主動力源的燃料電池和作為輔助動力源的能量儲存裝置，其能夠有效地避免燃料電池在操作期間的低功率和低效率區域。有利地，本發明提供了一種通過控制連接到作為輔助動力源的能量儲存裝置(例如，在一個實施例中為高電壓電池)的雙向高電壓DC-DC轉換器的電壓並同時控制空氣供應，來有效地避免燃料電池在操作期間的低功率和低效率區域的方法。圖1是示出根據本發明的實施例的控制方法所應用於的燃料電池混合系統的配置的示意圖。如圖1所示，車輛的燃料電池混合系統例證性地具有作為主動力源的燃料電池 10，和作為輔助動力源的高電壓電池20(即，主電池)，它們通過主母線端子11並聯連接。 雙向高電壓DC-DC轉換器(BHDC)21例如在高電壓電池20和燃料電池10之間串聯連接到高電壓電池20以控制高電壓電池20的輸出。此外，逆變器31(其連接到驅動電動機32) 在高電壓電池20的輸出側上連接到燃料電池10和主母線端子11。系統還具有其它負載， 諸如高電壓電子負載33、低電壓電池40和低電壓電子負載41，它們是除了逆變器31和驅動電動機32之外還被操作的所有車輛負載。為了將高電壓轉換成低電壓，低電壓DC-DC轉換器(LDC)42連接在低電壓電池40和主母線端子lie之間。此處，用作車輛的主動力源的燃料電池10和用作輔助動力源的高電壓電池20通過主母線端子11並聯連接到系統中的各個負載，諸如逆變器31、驅動電動機32等。另外， 連接到高電壓電池20的端子的雙向高電壓DC-DC轉換器21被連接到燃料電池10的輸出側上的主母線端子11，以便通過控制雙向高電壓DC-DC轉換器21的電壓(例如，對主母線端子的輸出電壓)來控制燃料電池10的輸出和高電壓電池20的輸出。設置二極體13以防止反向電流流經燃料電池10，並且設置繼電器14以選擇性地將燃料電池10連接到主母線端子11。繼電器14在燃料電池混合系統的怠速停止啟動狀態下以及在燃料電池10正常操作期間處於閉合狀態，並且僅在車輛的熄火(key-off)期間 (即，根據熄火操作正常停車期間)或緊急停車期間處於斷開狀態。此外，用於使驅動電動機32轉動的逆變器31通過主母線端子11連接到燃料電池 10和高電壓電池20的輸出側，以轉換從燃料電池10和/或高電壓電池20供應的電力的相位，從而驅動驅動電動機32。在上述燃料電池混合系統中，驅動電動機32在僅使用燃料電池10的輸出(電流) 的燃料電池模式下、在僅使用高電壓電池20的輸出的電動車(EV)模式下、或者在燃料電池 10的輸出由高電壓電池20的輸出輔助的混合模式下被驅動。在燃料電池系統的怠速停止啟動處理之後、驅動電動機32由燃料電池10的輸出驅動之前工作的EV模式中，燃料電池10的發電被停止，並且因此驅動電動機32和車輛應該僅由高電壓電池20的輸出驅動。在EV模式中，在繼電器14接通並且燃料電池10的發電被停止(例如，通過切斷向燃料電池10的空氣供應)的狀態下，高電壓電池20的電壓經由連接到高電壓電池20的雙向高電壓DC-DC轉換器21升高以增大主母線端子11的電壓，使得車輛負載(諸如逆變器31、驅動電動機32等)能夠僅通過高電壓電池20的輸出來驅動。例證性地，在燃料電池系統的怠速停止期間切斷空氣供應並且在燃料電池系統重新啟動期間啟動空氣供應。當燃料電池系統在重新啟動處理之後返回到正常操作模式時，燃料電池10的輸出然後在正常供應空氣的狀態下根據車輛負載被跟蹤控制(即，負載跟蹤操作控制)，並且取消雙向高電壓DC-DC轉換器21的升壓操作。圖2是示出在根據本發明的實施例的燃料電池系統中用於確定怠速停止條件(其中切斷空氣供應並停止燃料電池發電)應該發生、怠速停止禁止條件應該發生、或者啟動條件應該發生的步驟的圖。如圖2所示，控制器通過車輛狀態檢測處理和燃料電池狀態檢測處理來控制燃料電池系統的怠速停止模式、怠速停止禁止模式和啟動模式。首先，在車輛狀態檢測處理中， 控制器根據(與車輛狀態條件相對應的)車輛負載和高電壓電池的充電狀態(SOC)來確定燃料電池開啟(發電)和關閉(發電停止)條件。此外，在燃料電池狀態檢測處理中，控制器在考慮(與燃料電池狀態條件相對應的)燃料電池的緊急操作條件、燃料電池堆的溫度、 燃料電池堆的陽極的壓力、控制器之間的通信狀態、加熱器的操作等的情況下確定燃料電池系統的怠速停止條件、怠速停止禁止條件和啟動條件。此處，當車輛狀態檢測處理的燃料電池關閉條件和燃料電池狀態檢測處理的怠速停止條件同時滿足時執行燃料電池怠速停止處理，並且當車輛狀態檢測處理的燃料電池開啟條件和燃料電池狀態檢測處理的啟動條件中的任何一個被滿足時執行燃料電池重新啟動處理。如圖2的左圖所示，在車輛狀態檢測處理中，當車輛負載大於預定參考值(例如， 在燃料電池請求輸出pidle—。n以上)時，確定滿足燃料電池開啟條件。此外，僅當車輛負載小於預定參考值(例如，在燃料電池請求輸出Pidle。ff以下)並且高電壓電池的SOC高於預定上限值(SOChigh)時，確定滿足燃料電池關閉條件。此外，當車輛負載小於預定下限(P1ot)但是高電壓電池的SOC低於預定下限值 (SOClow)時，確定滿足燃料電池開啟條件。然而，燃料電池在操作期間的輸出值被保持在預定值(pidle—J以上以便對高電壓電池充電。在車輛狀態檢測處理中，在全加速期間或在突然加速到某個水平以上期間燃料電池開啟條件鑑於系統的響應可能會再得到滿足，並且在再生制動以增大再生制動的回收率期間燃料電池關閉條件可能會再得到滿足。在燃料電池狀態檢測處理中，如圖2的右圖所示，當燃料電池處於緊急操作狀態 (例如，當燃料電池堆的溫度在預定溫度以下、當燃料電池堆的陽極的壓力在預定壓力以下、當在來自鼓風機控制器的通信中存在故障、或者當加熱器正在被操作時)，確定燃料電池的發電應該被保持(在怠速停止禁止條件和啟動條件中)(即，圖2中的「燃料電池狀態 OK = 0」)。否則，確定可以執行燃料電池系統的怠速停止模式(即，圖2中的「燃料電池狀態 OK = 1」)。在車輛狀態檢測處理和燃料電池狀態檢測處理中，僅當燃料電池關閉條件和怠速停止條件同時滿足時(即，如果在圖2中「燃料電池關閉並且燃料電池狀態OK = 1」)，燃料電池系統可以進入怠速停止模式。否則，當任何一個條件不滿足時，禁止進入燃料電池系統的怠速停止模式。例如，即使車輛狀態條件(諸如車輛負載和高電壓電池的S0C)滿足燃料電池關閉條件，當在燃料電池狀態檢測處理中確定滿足怠速停止禁止條件(即，如果「燃料電池狀態 OK= 1」)時，可以禁止進入燃料電池系統的怠速停止模式。
此外，當車輛狀態檢測處理的燃料電池開啟條件和燃料電池狀態檢測處理的怠速停止禁止條件被滿足時(即，如果在圖2中「燃料電池開啟或者燃料電池狀態OK = 0」)，禁止怠速停止模式(例如，在正常操作狀態的情況下)或者重新啟動燃料電池(例如，在怠速狀態的情況下)。例如，即使在燃料電池系統的怠速停止模式中車輛狀態條件(諸如車輛負載和高電壓電池的S0C)不滿足燃料電池開啟條件(例如，如果「燃料電池關閉」)，當在燃料電池狀態檢測處理中確定燃料電池的發電應該重新啟動(在「燃料電池狀態OK = 0」的啟動條件下)時，仍可以重新啟動燃料電池。圖3是示出用於確定車輛負載條件的標準的圖，其中(b)示出關於燃料電池系統的輸出(包括燃料電池堆的功率和系統平衡(balance-of-plant)部件的功率)的效率和與對應於輸出Pidle的輸出Vidle相對應的電壓的電壓曲線。低輸出區域中的效率由於全部各種系統部件的功率平衡問題而常常非常低。為了避免這樣的不平衡，把效率降低時的時間點處的輸出Pidle確定為用於確定車輛負載條件是否已經得到滿足的標準，並且在圖3的(a)的電壓-電流曲線中，把與輸出Pidle相對應的電 SVidle或電壓Vidle附近的電壓值(圖5中的V@)確定為雙向高電壓DC-DC轉換器的電壓控制上限值，使得雙向高電壓DC-DC轉換器的電壓在燃料電池系統的正常操作模式中被限制到預定電壓控制上限值，從而限制燃料電池的低輸出區域的使用。如此，在本發明中，雙向高電壓DC-DC轉換器的電壓控制上限值被確定成使得雙向高電壓DC-DC轉換器的電壓被限制到在燃料電池系統的正常操作模式期間(即，在執行燃料電池的負載跟蹤操作控制的狀態下)控制的預定電壓控制上限值，並且因此燃料電池的低輸出區域的使用受到限制，同時雙向高電壓DC-DC轉換器的電壓被限制到預定電壓控制上限值。當確定雙向高電壓DC-DC轉換器的電壓上限值時，燃料電池的輸出被保持在預定水平以上，並且因此燃料電池的低輸出區域的使用受到限制。然而，當燃料電池系統的輸出一貫地保持在Pidle以上時，電池可能會在低功率區域中被過度充電並且再生制動量可能會因此受到限制。因此，如上所述，在再生制動期間或在車輛狀態檢測處理中的高輸出和高 SOC條件(即，如果在圖2中「燃料電池關閉」)期間，燃料電池被關閉(即，怠速停止模式被應用)，從而在系統中避免低效率區域。參考圖3的(b)，燃料電池怠速停止區域和燃料電池使用區域被分開示出。在本發明中，燃料電池在「燃料電池使用區域」中被使用或者響應於達到預定閾值Pidle而在「燃料停止區域」中被完全關閉。因此，整個系統的整體效率被有效地提高。圖4是示出根據本發明的說明性實施例的燃料電池系統的怠速停止啟動處理的圖，並且圖5是示出根據本發明的說明性實施例的燃料電池系統的怠速停止啟動處理的實例的圖。根據本發明的控制處理將在下面參考圖4和5逐步地描述。首先，如圖所示，在燃料電池系統的正常操作模式中，執行根據系統上的負載來控制燃料電池的輸出的負載跟蹤操作控制，並且燃料電池的輸出控制以這樣的方式執行，使得控制器控制雙向高電壓DC-DC轉換器的主母線端子的輸出電壓(在下文中稱為雙向高電壓DC-DC轉換器(BHDC)的電壓)。在本發明中，根據燃料電池系統的正常操作模式來確定雙向高電壓DC-DC轉換器的電壓控制上限值(圖5中的V@)，使得根據負載控制的雙向高電壓DC-DC轉換器的電壓
9被限制到預定電壓控制上限值，並且因此燃料電池的低輸出區域的使用受到限制。如此，當雙向高電壓DC-DC轉換器的電壓在正常操作模式下的負載跟蹤操作期間受到控制時，雙向高電壓DC-DC轉換器的電壓被限制到預定電壓控制上限值，使得燃料電池的輸出被保持在預定水平以上。然後，如果在車輛狀態檢測處理中確定車輛狀態條件(諸如車輛負載和高電壓電池的S0C)滿足燃料電池關閉條件(這已經參考圖2進行過描述)，則在燃料電池狀態檢測處理中確定燃料電池狀態滿足燃料電池系統的怠速停止條件。此處，即使車輛狀態條件滿足燃料電池關閉條件，如果在燃料電池狀態檢測處理中確定車輛狀態條件對應於燃料電池系統的怠速停止禁止條件(即，如果在圖2中「燃料電池堆0Κ = 0」)，則禁止燃料電池系統的怠速停止使得燃料電池處於操作狀態，並且取消雙向高電壓DC-DC轉換器的電壓被限制到預定電壓控制上限值(V@)的電壓上限控制，使得即使在低輸出區域中也可以使用燃料電池。這樣做的原因如下。當燃料電池的輸出較低並且高電壓電池的SOC較高時，燃料電池不能被關閉(即，在怠速停止禁止條件下)，如果燃料電池的輸出通過雙向高電壓 DC-DC轉換器的電壓上限控制被連續保持在預定水平以上，則高電壓電池可能會被過度充 H1^ ο在圖5中，電壓控制上限值V①可以預先確定為圖3的電壓Vidle或電壓Vidle附近的電壓值。如果在燃料電池狀態檢測處理中確定燃料電池系統的怠速停止條件被滿足，則執行燃料電池系統的怠速停止處理。即，切斷向燃料電池的空氣供應(例如，通過關閉諸如鼓風機之類的空氣供應系統)使得燃料電池的電壓降到主母線端子的電壓以下並且因此燃料電池的輸出(即，電流輸出)不被供應給主母線端子(參考圖5中切斷空氣供應之後的燃料電池電流)。隨後，在切斷空氣供應的預定時間之後(或者在由例如流量計確定空氣未被供應之後)，雙向高電壓DC-DC轉換器的電壓被減小到預定值(圖5中的V②)使得陰極中殘存的氧氣被消耗。即，當雙向高電壓DC-DC轉換器的電壓被減小到預定值以下並且保持在該水平時，主母線端子內的電壓被減小，並且在這種情況下，來自燃料電池的電流被再次輸出到主母線端子，同時陰極中的氧氣被消耗。此時，高電壓電池通過燃料電池的輸出被強制充 H1^ ο即，在燃料電池的電壓下降到雙向高電壓DC-DC轉換器的電壓(S卩，主母線端子的電壓)以下之前，高電壓電池通過所產生的燃料電池的輸出電流被充電，同時陰極中的氧氣被消耗，並且因此燃料電池的陰極中殘存的氧氣可以通過高電壓電池的強制充電而被去除為預定水平。此外，當燃料電池的電壓通過陰極中氧氣的消耗而被減小到雙向高電壓DC-DC轉換器的電壓以下時，高電壓電池的充電被終止。然而，由於陽極中的氫氣連續地通過電解質膜滲透(cross over)到陰極，所以陰極中的氧氣被逐漸消耗。因此，當燃料電池的電壓被完全去除時，完成進入怠速停止模式。在切斷空氣供應之後的燃料電池的發電停止模式期間，陽極中的氫氣滲透到陰極，並且因此燃料電池的電壓自然地減小為零，但是此時，滲透到陰極的氫氣被浪費。因此， 當陰極中的氧氣被消耗時產生的燃料電池的輸出可以通過在切斷空氣供應之後將雙向高電壓DC-DC轉換器的電壓減小到預定值(V②)而被用於對高電壓電池充電，同時燃料電池的電壓可以被減小，從而在耐久性和燃料效率方面提供了有利的效果。此外，當在陰極中的氧氣被消耗時對高電壓電池強制充電之後，燃料電池的電壓下降到主母線端子的電壓(即，雙向高電壓DC-DC轉換器的電壓)以下時，電流輸出不再從燃料電池供應，並且因此執行驅動電動機僅通過高電壓電池的輸出來驅動的EV模式。參考圖5，可以看出在切斷空氣供應之前雙向高電壓DC-DC轉換器的電壓和燃料電池的電壓被限制到電壓控制上限值￥@，此時燃料電池的電流通過電壓上限控制而被保持在恆定水平。還可以看出電池的電流通過電動機控制單元(MCU)被供應到轉換器使得車輛以EV模式運行直到燃料電池在切斷空氣供應之後重新啟動。此處，執行主母線端子的電壓通過控制雙向高電壓DC-DC轉換器的電壓而被保持在預定值(V②)(其可以是恆定值或可變值)的EV模式。在切斷空氣供應之後雙向高電壓DC-DC轉換器的電壓被減小的預定值(V②)的確定，應該根據雙向高電壓DC-DC轉換器的效率和驅動電動機的效率來最優化。儘管根據驅動電動機的效率確定處於高水平的預定值(V②)是有利的，但是可能更好的是，根據雙向高電壓DC-DC轉換器的效率確定處於低水平的預定值(V②)使得車輛以EV模式運行。因此，有必要確定最佳值(V②)。當車輛以EV模式運行時，如上所述，如果車輛狀態條件滿足燃料電池開啟條件或者如果燃料電池狀態條件滿足啟動條件(即，如果在圖2中「燃料電池堆OK = 0」)，則燃料電池系統被重新啟動。此時，雙向高電壓DC-DC轉換器的電壓被增大到預定值(圖5中的V③)並保持在該水平，由此防止燃料電池的輸出被過度供應給主母線端子。此處，與燃料電池系統重新啟動期間增大的雙向高電壓DC-DC轉換器的電壓相對應的預定值(V③)可以被確定並控制為圖3的電壓Vidle或電壓Vidle附近的電壓值。當車輛負載條件不能滿足時(即，在車輛負載不滿足預定參考值的低負載狀態下，S卩，當車輛負載在燃料電池請求輸出Pidle。n以下時)，如果燃料電池系統由於故障而被重新啟動，則雙向高電壓DC-DC轉換器的電壓可以被增大到開路電壓附近的值，即增大到 OCV以下的最大值。其原因是，當重新啟動的電壓值(即，與雙向高電壓DC-DC轉換器的增大的電壓相對應的預定值(V③))在車輛負載在參考值以下並且高電壓電池的SOC較高的狀態下被保持在圖2的電壓Vidle附近的值時，高電壓電池通過燃料電池的輸出被過度充電。然後，在由例如伏特計確定例如主母線端子的電壓被保持在預定值(V③)之後，啟動空氣供應從而重新啟動燃料電池的發電。此處，空氣鼓風機的轉速在啟動空氣供應的時間點被增大，使得燃料電池的電壓被增加到與雙向高電壓DC-DC轉換器的增大的電壓相對應的預定值(V③)。此時，燃料電池的電壓經由空氣供應而被增大，使得燃料電池輸出預定輸出功率， 其等於與雙向高電壓DC-DC轉換器的增大的電壓相應的預定值(V③)。此外，當在燃料電池系統重新啟動期間啟動空氣供應時，為了迅速增大燃料電池的電壓，驅動鼓風機使得除了與所需的電流的量相對應的空氣量之外，還將預定量(α)的空氣供應給燃料電池。因此，供應給燃料電池的空氣量是「所需的空氣量」和「預定量(α) 的空氣」的總和。
隨後，連續地監測燃料電池狀態，並且如果最小電池電壓、電池電壓偏差、空氣流率等被穩定，則終止重新啟動處理，並且取消把雙向高電壓DC-DC轉換器的電壓保持在預定值。然後，在正常操作模式期間，再次執行燃料電池的正常負載跟蹤操作。此時，雙向高電壓DC-DC轉換器的電壓被限制到如上所述的控制上限值V@，使得燃料電池不在低輸出區域被使用並且燃料電池輸出預定輸出功率或更高輸出功率。如此，已經描述了本發明的控制處理。另外，可以從圖5看出，根據本發明，燃料電池的低效率區域的避免操作通過控制雙向高電壓DC-DC轉換器的電壓、並且同時在怠速停止處理和重新啟動處理期間控制空氣供應而被有效地執行(可以看出，OCV和電壓V@之間的電壓未被產生)。預定電壓值V③被確定為電壓Vidle附近的電壓，並且根據滯後現象 (hysteresis)，期望乂@可以被確定為與Pidle—。ff相對應的電壓並且V③被確定為與Pidle—。n相對應的電壓。此外，例如根據燃料電池所需的電流的量來計算當在重新啟動處理期間啟動空氣供應時需要的空氣量。此處，除了與所需電流的量相對應的空氣量之外，還將預定量(α) 的空氣供應給燃料電池，使得燃料電池的電壓能夠更迅速地得到穩定。此外，如上所述，當在燃料電池系統的怠速停止模式期間車輛以EV模式運行時， 雙向高電壓DC-DC轉換器的電壓控制值(V②)在考慮雙向高電壓DC-DC轉換器的效率和驅動電動機的效率的情況下被確定為最佳值，並且與電池電壓偏差、空氣流率等相關的監測邏輯被禁用以便防止燃料電池系統和車輛由於監測邏輯而被停止運轉。在圖5中，在燃料電池的重新啟動處理期間，在位於燃料電池末端的繼電器(圖1 中用附圖標記14表示)被接通的狀態下，雙向高電壓DC-DC轉換器的電壓被增大到預定水平並且燃料電池的電壓通過對燃料電池的空氣供應而被增大，使得燃料電池輸出預定輸出功率，其等於與雙向高電壓DC-DC轉換器的增大的電壓相對應的預定值，從而完成重新啟動。此外，正常啟動期間的序列可以照原樣使用。有利地，在本發明中，可以通過雙向高電壓DC-DC轉換器的電壓上限控制來有效地避免燃料電池在操作期間的低功率和低效率區域，通過OCV區域的避免操作來改善燃料電池系統的耐久性，並通過低效率區域的避免操作來改善車輛的燃料效率。此外，在怠速停止處理中，當陰極中的氧氣被消耗時產生的燃料電池的輸出可以用於對高電壓電池充電，並且可以實現更高效的怠速停止啟動控制方法。已經參考本發明的實施例對本發明進行了詳細描述。然而，本領域技術人員應該理解的是，可以在這些實施例中做出變更而不脫離本發明的原理和精神，其中本發明的範圍在所附權利要求及其等價形式中限定。
1權利要求
1.一種控制燃料電池混合系統的操作的方法，所述方法包括通過控制器確定怠速停止條件是否在所述燃料電池混合系統的正常操作模式期間已經得到滿足；響應於所述怠速停止條件得到滿足，切斷對燃料電池的空氣供應以停止所述燃料電池的發電並減小所述燃料電池的電壓；減小連接在電池和母線端子之間的雙向轉換器的電壓；基於第一預定值控制所述燃料電池的輸出並保持所述第一預定值；和經由通過保持所述雙向轉換器的減小的電壓而產生的所述燃料電池的輸出電流對所述電池強制充電，其中陰極中的氧氣被消耗並且所述燃料電池的電壓變得低於所述雙向轉換器的電壓。
2.如權利要求1所述的方法，其中所述雙向轉換器是雙向高電壓DC-DC轉換器，並且在所述燃料電池的電壓通過在對所述電池強制充電之後所述陰極中的氧氣的消耗而被減小到所述雙向高電壓DC-DC轉換器的電壓和所述母線端子的電壓以下的狀態下，執行驅動電動機僅通過所述電池的輸出來驅動的電動車(EV)模式，並且所述母線端子的電壓通過控制所述雙向高電壓DC-DC轉換器的電壓來確定。
3.如權利要求1所述的方法，其中在所述燃料電池混合系統的所述正常操作模式中， 如果諸如車輛負載和高電壓電池的充電狀態(SOC)之類的車輛狀態條件滿足燃料電池關閉條件，並且同時如果燃料電池狀態不與預定怠速停止禁止條件相對應，則確定所述怠速停止條件得到滿足。
4.如權利要求3所述的方法，其中如果所述車輛負載小於預定參考值並且如果所述高電壓電池的SOC大於預定上限值，則確定所述燃料電池關閉條件得到滿足。
5.如權利要求1所述的方法，其中在所述燃料電池混合系統的所述正常操作模式中， 執行所述燃料電池的輸出根據負載來控制的負載跟蹤操作控制，並且執行確定所述雙向轉換器的電壓控制上限值且把在操作期間根據負載控制的所述雙向轉換器的電壓限制到所述雙向轉換器的所述電壓控制上限值的電壓上限控制，使得所述燃料電池的低輸出區域的使用通過所述雙向轉換器的所述電壓上限控制而被限制。
6.如權利要求5所述的方法，其中如果燃料電池狀態與預定怠速停止禁止條件相對應，則取消所述雙向轉換器的所述電壓上限控制。
7.如權利要求1所述的方法，還包括如果重新啟動條件在所述燃料電池混合系統的怠速停止模式中得到滿足，則將所述雙向轉換器的電壓增大到第二預定值並保持所述第二預定值；在所述母線端子的電壓增大的狀態下，通過啟動對所述燃料電池的空氣供應來重新啟動所述燃料電池混合系統，使得所述燃料電池的電壓增大到所述第二預定值並且產生所述燃料電池的電流輸出；和在所述燃料電池穩定之後取消所述雙向轉換器的電壓的所述第二預定值的保持，使得重新啟動處理被終止並且所述燃料電池系統進入所述正常操作模式。
8.如權利要求7所述的方法，其中當在所述燃料電池系統的重新啟動過程中啟動對所述燃料電池的空氣供應時，驅動鼓風機使得除了根據所述燃料電池所需的電流的量計算出的空氣量之外還將預定量的空氣供應給所述燃料電池。
9.如權利要求7所述的方法，其中如果燃料電池狀態與預定怠速停止禁止條件相對應並且所述燃料電池系統被重新啟動，則將所述雙向轉換器的電壓增大到開路電壓以下的預定最大值並將其保持在該水平。
10.如權利要求3所述的方法，其中所述怠速停止禁止條件是從以下條件中選出的 所述燃料電池處於緊急操作狀態，燃料電池堆的溫度處於預定溫度以下，燃料電池堆的陽極的壓力處於預定壓力以下，在來自鼓風機控制器的通信中存在故障，以及加熱器正被操作。
11.一種控制燃料電池混合系統的操作的系統，所述系統包括 混合燃料電池系統，其被配置成確定怠速停止條件是否在所述混合燃料電池系統的正常操作模式期間已經得到滿足， 響應於確定所述怠速停止條件已經得到滿足，切斷對燃料電池的空氣供應以停止所述燃料電池的發電並減小所述燃料電池輸出的電壓，減小連接在電池和母線端子之間的雙向轉換器的電壓； 基於第一預定值控制所述燃料電池的輸出並保持所述第一預定值；和經由通過保持所述雙向轉換器的減小的電壓而產生的所述燃料電池的輸出電流對所述電池充電，其中所述燃料電池的陰極中的氧氣被消耗並且所述燃料電池的電壓變得低於所述雙向轉換器的電壓。
全文摘要
本發明提供了一種控制燃料電池混合系統的操作的系統和方法。所述方法包括通過控制器確定怠速停止條件是否在燃料電池混合系統的正常操作模式期間已經得到滿足；響應於怠速停止條件得到滿足，切斷對燃料電池的空氣供應以停止燃料電池的發電並減小燃料電池的電壓；減小連接在電池和母線端子之間的雙向轉換器的電壓；基於第一預定值控制燃料電池的輸出並保持第一預定值；和經由通過保持雙向轉換器的減小的電壓而產生的燃料電池的輸出電流對電池強制充電，其中陰極中的氧氣被消耗並且燃料電池的電壓變得低於雙向轉換器的電壓。
文檔編號H01M8/04GK102487145SQ201110267780
公開日2012年6月6日 申請日期2011年7月29日 優先權日2010年12月1日
發明者全淳一, 權相旭, 李南遇, 李圭一, 柳正桓, 柳盛弼 申請人:現代自動車株式會社