CN101483263A - 在燃料电池混合车辆的驾驶操作过程中的hv蓄电池组平衡充电 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及在燃料电池混合车辆的驾驶操作过程中的HV蓄电池(组)平衡充电。其包括用于在燃料电池系统的正常操作过程中为蓄电池(组)提供充电状态和电压平衡的方法的燃料电池系统。如果已经要求了充电平衡，则该方法首先确定该蓄电池(组)温度是否超出预设温度，以及如果没有超出，则继续进行蓄电池(组)充电和过度充电，以使该蓄电池(组)中的所有电池都充满电。在该充电过程中，该方法确定该充电过程是否应当中断，例如通过将需要蓄电池(组)动力的超过预设动力需求的动力需求。该方法计算该充电状态和电压平衡已经中断的次数，以及如果该此处超过预设值，则该方法启动服务状态。
Description
技术领域
本发明总的涉及用于将高电压蓄电池(组)中的所有电池充电到特定的的充电状态(SOC)或在特定的充电状态范围内的系统和方法，更特别地涉及用于在车辆操作过程中对车辆上的燃料电池系统中的高电压蓄电池(组)充电的系统和方法，其包括将该蓄电池(组)过度充电使该蓄电池(组)中的所有电池都充满电。
背景技术
氢气是非常有吸引力的能源，因为其是清洁的，且可以用于在燃料电池中有效提供电力。氢燃料电池是包括在两者之间具有电解质的阳极和阴极的电化学装置。阳极接收氢气，阴极接收氧气或空气。氢气在阳极中离解产生氢质子和电子。氢质子通过电解质到达阴极。氢质子与阴极中的氧和电子反应，生成水。来自阳极的电子不能通过该电解质，因此在送往阴极之前被引导通过负载以做功。
质子交换膜燃料电池(PEMFC)是用于车辆的常用燃料电池。PEMFC通常包括固体聚合物电解质质子导电膜，例如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括负载在碳颗粒上并混合有离聚物的磨碎的催化颗粒，通常为铂(Pt)。该催化混合物沉积在该膜的相反两侧。阳极催化混合物、阴极催化混合物和膜的组合限定了膜电极组件(MEA)。MEA的制备较为昂贵，且需要用于有效操作的特定条件。
通常在燃料电池组中结合几种燃料电池以产生所需的动力。该燃料电池组接收阴极输入气体，通常是由压缩机驱动通过该燃料电池组的空气流。并非所有氧气都被该燃料电池组所消耗，一些空气作为阴极排气输出，其可以包括作为燃料电池组副产物的水。该燃料电池组还接收流入该燃料电池组的阳极侧的阳极氢气输入气体。
燃料电池系统的动态动力是有限的。此外，从系统启动到可驾驶的时间延迟和车辆的低速都是不能接受的。在驱动循环过程中，该燃料电池组电压是变化的，因为可变的驱动力需求遵循特定的燃料电池组极化曲线。电压循环会降低该燃料电池组的耐久性。通过并行使用高电压蓄电池(组)和燃料电池组，可以将这些缺点最小化。使用算法以提供来自该蓄电池(组)和该燃料电池组的动力分配以满足所需的动力。
由于上述原因，一些燃料电池车辆是在该燃料电池组之外还使用可再充电的辅助动力源(例如DC蓄电池或超级电容器(也称作超电容器或双层电容器))的混合车辆。该动力源为各种车辆辅助负载提供辅助动力，以及为系统启动或在该燃料电池组不能提供所需动力的高动力需求过程中提供辅助动力。更特别地，该燃料电池组通过用于车辆操作的DC电压总线将动力提供给牵引电动机。该蓄电池在该燃料电池组可以提供之外需要另外动力时的过程中(例如在高速过程中)为该电压总线提供动力。例如，该燃料电池组可以提供70kW的动力，然而车辆速度可能需要100kW或更高的动力。在该燃料电池组能够满足该系统动力需求时使用该燃料电池组为该蓄电池再充电。也使用在再生制动过程中可由该牵引电动机得到的发电机电力通过该DC总线为该蓄电池再充电。
在该燃料电池系统的操作过程中，将该高电压蓄电池的所需充电状态(SOC)控制到在特定的操作范围内，例如其充电范围的50％～80％。该高电压蓄电池由几个蓄电池(组)电池(battery cells)串联组成。由于不同电池之间在电池容量、内电阻和连接质量方面的差异，在该蓄电池操作过程中单个电池的充电状态的偏差会造成一些电池与另一些电池处于不同的充电水平。如果蓄电池中各电池的SOC和电压的差别变得过大，在该蓄电池(组)动力可能有限的情况下，蓄电池管理系统(BMS)会产生该蓄电池(组)电池的充电均衡或充电平衡。
如上所述，蓄电池(组)中的电池之间的充电状态和电压差异有时需要平衡。因为单一电池有时是不可能的，因此可能需要对整个蓄电池的过度充电，在这种情况下需要对一些电池过度充电，直至最低的充电状态都百分之百充满为止。对于那些可以对单一电池充电的情况下的蓄电池，需要另外的装置，例如每个电池有可单独控制的放电电阻器。
高电压蓄电池的过度充电需要非常小的充电电流。这通常是使用特别的蓄电池充电装置进行的。这种程序通常需要将车辆开到服务站，在服务站中由专业人员进行过度充电。因此提供其中在燃料电池混合车辆或其他可以使用NiMH蓄电池的电动车辆的正常操作过程中可以进行蓄电池(组)电池电压和SOC平衡的蓄电池管理系统将是所需的。
发明内容
依照本发明的教导，公开了包括用于在燃料电池系统的正常操作过程中为蓄电池(组)(battery)提供充电状态和电压平衡的方法的燃料电池系统。蓄电池(组)管理系统可以要求该蓄电池(组)的蓄电池(组)充电状态和电压平衡。如果这种要求发生，则该方法首先确定该蓄电池(组)温度是否超出预设温度，以及如果没有超出，则继续进行由该燃料电池组(fuel cell stack)对蓄电池(组)充电和过度充电，以使该蓄电池(组)中的所有电池都充满电。在该充电过程中，该方法确定该充电过程是否由于例如超过预设动力需求的动力需求将需要蓄电池(组)动力而应当中断，该方法计算该充电状态和电压平衡已经开始但已中断的次数，以及如果该此处超过预设值，则该方法启动立即服务状态。
从以下描述和后附的权利要求中以及与附图相结合，本发明的其他特征将变得显而易见。
附图说明
图1是包括燃料电池组和高电压蓄电池(组)的混合燃料电池系统的示意性框图。
图2是显示依照本发明的实施方式在燃料电池系统的操作过程中用于为蓄电池(组)提供电池电压和SOC平衡的方法的流程图。
具体实施方式
以下对涉及用于在燃料电池系统的正常操作过程中为蓄电池(组)提供电池充电状态和电压平衡的方法的本发明的实施方式的讨论性质上仅是示例性的，决不意于限制本发明或其应用或用途。
图1是包括燃料电池组12和蓄电池(组)14的燃料电池系统10的示意性框图，该蓄电池(组)14包括电力电子元件。为了为蓄电池(组)提供充放电，燃料电池组电压和蓄电池(组)电压之间的电压差需要大于或等于该蓄电池(组)电压。当燃料电池电压高于蓄电池(组)电压时，该电力电子元件用作电压放大器，其中放大率小于或等于1。燃料电池组12为高电压总线(在此示作正极总线16和负极总线18)提供电源。在车辆燃料电池系统中，该燃料电池组12可以包括约400个燃料电池。该蓄电池(组)14也与该高电压总线16和18连接，如上所述提供辅助电力。
该燃料电池系统10包括与该总线16和18和AC或DC牵引电动机24电连接的动力变换器模块(PIM)22。该PIM22将总线上的DC电压转变为适用于AC牵引电动机24的AC电压。该牵引电动机24提供用于操作该车辆的牵引动力，如现有技术中得到充分理解的那样。该牵引电动机24可以是适用于此处所述目的的任意电动机，例如AC感应电动机、AC永磁电动机和AC三相同步机械。在再生制动过程中，当该牵引电动机24用作发电机时，来自电动机24的AC电力由PIM22转化为DC电力，然后作用于总线16和18以使该蓄电池(组)14再充电。阻塞二极管(未示出)防止作用于总线16和18的再生电能流入燃料电池组12中，否则这样可能损坏该燃料电池组12。
已知将该燃料电池组12的输出电力在所需电压范围内保持尽可能长的时间以提高混合燃料电池系统中燃料电池组的耐久性。例如，需要将该燃料电池组12中的各燃料电池的电池电压保持在0.725～0.85伏特范围内。随着燃料电池组12上的负载增大，该电池电压随之降低，反之亦然。需要防止各电池电压超过0.85伏特，其将是非常低的燃料电池组负载。此外，如果对于高负载该电池电压降到低于0.725伏特，为了燃料电池的耐久性的目的，需要将该电池电压保持在高负载范围内尽可能长时间。而且，需要该蓄电池(组)的充电状态(SOC)不高于其最大充电限度或低于其最小充电限度。
图2是显示了依照本发明的一种实施方式的方法的流程图40，其中如果蓄电池(组)14中单一蓄电池(组)电池(battery cells)之间的充电状态和电压差变得过大，在该燃料电池系统10的正常操作过程中使用蓄电池(组)管理系统(BMS)提供充电状态和电压平衡。该燃料电池系统10通常在框42中操作。在判断菱形框44中，该算法确定该蓄电池(组)管理系统是否要求了蓄电池(组)充电平衡，如果没有，返回到框42的正常操作。现有技术中已知用于确定应当进行充电平衡的时间的算法，例如通过消耗的特定时间间隔。如果在该判断菱形框44中要求了充电状态平衡，则在判断菱形框46中该算法确定该蓄电池(组)14的温度是否超过预设温度(例如40℃)。如果该蓄电池(组)温度过高，这意味着对蓄电池(组)14的过度充电可能太危险，在这种情况下该蓄电池(组)14可能损坏或爆炸，则该算法返回到框42中用以正常系统操作而不进行充电平衡。如果蓄电池(组)14的温度过高则不启动蓄电池(组)充电的原因是因为由于该蓄电池(组)14变得过热而使该蓄电池(组)的充电将不彻底。因此，通过启动充电程序并然后必须停止该程序不会浪费能量。
如果在判断菱形框46中该蓄电池(组)温度低于预设温度，则在框48中，依照预设的蓄电池(组)管理系统限流程序，该算法通过使用燃料电池组12将该蓄电池(组)14充电到其充电状态的100％，然后对该蓄电池(组)14过度充电，进行充电状态和电压平衡，使得所有蓄电池(组)电池都具有100％充电且平衡。换言之，依照限流算法将该蓄电池(组)14过度充电，使得一些电池将充满，而一些电池将过度充电，而不会损坏蓄电池(组)14。在一种实施例中，该BMS确定将例如30％的充电量(即对于7安培小时的电池容量，充电2.1安培小时)过度充电到蓄电池(组)14中。
在蓄电池(组)14在框48中充电的同时，几种情况可能造成该蓄电池(组)充电中断。其中一种情况是在判断菱形框50中，当车辆驾驶者需要提供比预设动力更高的需要蓄电池(组)动力的动力需求的高速时，也称作敞开节流阀(WOT)。如果在判断菱形框50中车辆驾驶者确实需要高速，则将使用蓄电池(组)动力，蓄电池(组)14将在框52中放电。然后在判断菱形框54中，算法将确定是否仍要求该敞开节流阀状态，以及如果这样，将返回框52使用蓄电池(组)动力以提供提高的动力需求。
如果在判断菱形框54中不再要求高速，则在框56中该算法将确定要求并然后中断平衡充电的次数。然后在判断菱形框58中，该算法将确定该次数是否超过预设值(例如20)。如果在判断菱形框58中，中断次数没有超过预设值，则该算法返回到框48中继续对该蓄电池(组)14充电以为所有蓄电池(组)电池提供100％充电。如果在判断菱形框58中，在充电平衡过程中的中断次数超过了预设值，则在框60中，算法对车辆驾驶者提供需要服务的指示，例如开启立即服务灯。然后该算法返回到框42中的正常操作。特别地，如果该蓄电池(组)14放电太多和太经常，在这种情况下电池充电状态之间的差别过大，则可能需要像过去那样由服务站为该电池提供过度充电以为所有蓄电池(组)电池充电。
如果在判断菱形框50中不需要高速，则在判断菱形框62中，该算法确定该电池管理系统是否达到充电和过度充电状况的结束，在这种情况下该蓄电池(组)14充满电，如果没有结束，则返回框48以继续对该蓄电池(组)充电。如果在判断菱形框62中充电结束，则该算法在判断菱形框64中确定该电池管理系统是否完成该平衡，如果是，则返回框42以进行正常燃料电池系统操作。如果在判断菱形框64中该平衡还未结束，则算法在框56中继续计算平衡中断的次数。中断该平衡充电的其他实施例包括在充电平衡过程中该蓄电池(组)14变得过热或该车辆停车。当该中断状况结束时，BMS将继续过度充电，直至达到完全量的计数充电。
前面的讨论仅公开和描述了本发明的示例性实施方式。从这种讨论以及附图和权利要求中，本领域的技术人员将容易认识到在不脱离后附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在此处进行各种改变、改进和变化。
Claims (20)
1.用于在燃料电池系统的操作过程中为作为该燃料电池系统的一部分的蓄电池组中的蓄电池组电池提供蓄电池组充电状态和电压平衡的方法，所述方法包括：
确定是否已经要求了充电状态和电压平衡；
如果已经要求了该平衡，则确定该蓄电池组的温度是否高于预设温度；
如果该蓄电池组的温度低于预设温度，则对该蓄电池组充电，其中对该蓄电池组充电包括对该蓄电池组过度充电，使得该蓄电池组中的各电池都接受约100％的充电状态；和
如果对该燃料电池系统的动力需求超出将需要使用蓄电池组动力和蓄电池组放电的预设动力需求，则中断该蓄电池组的平衡充电。
2.权利要求1的方法，进一步包括随着该蓄电池组放电以满足该动力需求，周期性地确定该动力需求是否仍超出该预设动力需求。
3.权利要求2的方法，进一步包括确定平衡需求发生并然后由超出该预设动力需求的动力需求中断的次数。
4.权利要求3的方法，进一步包括如果中断次数超出预设值，则启动服务状态。
5.权利要求1的方法，进一步包括确定在各蓄电池组电池已经达到约100％的充电状态之前该充电状态和电压平衡是否已经中断。
6.权利要求5的方法，进一步包括确定该蓄电池组的平衡充电已经中断的次数。
7.权利要求6的方法，进一步包括如果该中断数超过预设值，则启动服务状态。
8.权利要求7的方法，其中该预设数约为20。
9.权利要求1的方法，其中确定该电池是否超出预设电池温度包括确定该电池是否超过约40℃。
10.用于在燃料电池系统的操作过程中为作为该燃料电池系统的一部分的蓄电池组中的蓄电池组电池提供蓄电池组充电状态和电压平衡的方法，所述方法包括：
确定是否已经要求了充电状态和电压平衡；
如果已经要求了该充电状态和电压平衡，则对该蓄电池组充电，其中对该蓄电池组充电包括对该蓄电池组过度充电，使得该蓄电池组中的各电池都接受约100％的充电状态；
如果满足特定条件，则中断该蓄电池组的平衡充电；和
计算该蓄电池组平衡充电已经中断的次数。
11.权利要求10的方法，其中中断该蓄电池组的平衡充电包括如果对该燃料电池系统的动力需求超出其中将需要该蓄电池组动力以满足该动力需求的预设动力需求，则中断该蓄电池组的平衡充电。
12.权利要求10的方法，进一步包括如果该中断数超过预设值，则启动服务状态。
13.权利要求12的方法，其中该预设数约为20。
14.权利要求10的方法，进一步包括如果已经要求了该平衡，则确定该蓄电池组的温度是否高于预设温度，以及如果该蓄电池组温度高于该预设温度，则不进行该充电状态和电压平衡。
15.权利要求14的方法，其中该预设的蓄电池组温度约为40℃。
16.用于在燃料电池系统的操作过程中为作为该燃料电池系统的一部分的蓄电池组中的蓄电池组电池提供蓄电池组充电状态和电压平衡的方法，所述方法包括：
确定是否已经要求了充电状态和电压平衡；
如果已经要求了该平衡，则确定该蓄电池组的温度是否高于预设温度；
如果该蓄电池组的温度低于预设温度，则对该蓄电池组充电，其中对该蓄电池组充电包括对该蓄电池组过度充电，使得该蓄电池组中的各电池都接受约100％的充电状态；
如果对该燃料电池系统的动力需求超出将需要使用蓄电池组动力的预设动力需求，则中断该蓄电池组的平衡充电；
如果满足特定其它条件，则中断该蓄电池组的平衡充电；和
计算该蓄电池组平衡充电已经中断的次数。
17.权利要求16的方法，进一步包括随着该蓄电池组放电以满足该动力需求，周期性地确定该动力需求是否仍超出该预设动力需求。
18.权利要求16的方法，进一步包括如果该中断数超过预设值，则启动服务状态。
19.权利要求18的方法，其中该预设数约为20。
20.权利要求16的方法，其中该预设的蓄电池组温度约为40℃。
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