CN102237543A - 用于12v混合动力燃料电池车辆的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于12V混合动力燃料电池车辆的设备。具体地，公开了一种燃料电池系统，其不包括与燃料电池堆结合的高压电池。燃料电池堆和双向功率模块电联接到高压总线。第一较大容量12伏特电池电联接到与高压总线相对的功率模块，并且第二较小容量12伏特电池电联接到第一12伏特电池，其中二极管电联接在第一12伏特电池和第二12伏特电池之间，并且仅允许电流从第一12伏特电池流到第二12伏特电池。12伏特电池载荷电联接到第二12伏特电池。

Description

用于12V混合动力燃料电池车辆的设备
技术领域
本发明总体上涉及一种燃料电池系统，该燃料电池系统除了燃料电池堆以外不采用高压功率源，例如电池；更具体地，本发明涉及用于车辆的燃料电池系统，该用于车辆的燃料电池系统除了燃料电池堆以外不采用高压功率源，例如电池，而是采用与燃料电池堆结合的大容量12伏特电池和小容量12伏特电池。
背景技术
氢是非常有吸引力的燃料，因为氢是清洁的且能够用于在燃料电池中有效地产生电力。氢燃料电池是电化学装置，包括阳极和阴极，电解质在阳极和阴极之间。阳极接收氢气且阴极接收氧或空气。氢气在阳极中分解以产生自由氢质子和电子。氢质子穿过电解质到达阴极。氢质子与阴极中的氧和电子反应产生水。来自于阳极的电子不能穿过电解质，且因而被引导通过载荷，以在输送至阴极之前做功。
质子交换膜燃料电池（PEMFC）是车辆的普遍燃料电池。PEMFC通常包括固体聚合物电解质质子传导膜，如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括细分的催化剂颗粒，通常是铂（Pt），所述催化剂颗粒支承在碳颗粒上且与离聚物混合。催化剂混合物沉积在膜的相对侧上。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物和膜的组合限定了膜电极组件（MEA）。MEA的制造相对昂贵且需要某些条件以有效操作。
多个燃料电池通常组合成燃料电池堆以产生期望功率。例如，车辆的典型燃料电池堆可以具有两百或更多堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入气体，通常是由压缩机强制通过燃料电池堆的空气流。不是所有的氧都由燃料电池堆消耗，且一些空气作为阴极排气输出，所述阴极排气可以包括作为燃料电池堆的副产物的水。燃料电池堆也接收流入燃料电池堆的阳极侧的阳极氢输入气体。
燃料电池堆包括位于燃料电池堆中多个MEA之间的一系列双极板，其中，双极板和MEA设置在两个端板之间。双极板包括用于燃料电池堆中的相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流动通道设置在双极板的阳极侧上，且允许阳极反应气体流向相应MEA。阴极气体流动通道设置在双极板的阴极侧上，且允许阴极反应气体流向相应MEA。一个端板包括阳极气体流动通道，另一个端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板由导电材料制成，如不锈钢或导电复合物。端板将燃料电池产生的电传导到燃料电池堆之外。双极板也包括冷却流体流经的流动通道。
大多数燃料电池车辆是混合动力车辆，除了燃料电池堆之外，采用可再充电补充高压功率源，如DC电池或超电容器。功率源给各种车辆辅助载荷提供补充功率，用于系统启动且在高功率需求期间在燃料电池堆不能提供期望功率时。更具体地，燃料电池堆通过DC电压总线线路将功率提供给牵引马达和其他车辆系统，以用于车辆操作。电池在需要超过燃料电池堆所能够提供的附加功率时的时间期间（例如，在急加速期间）给电压总线线路提供补充功率。例如，燃料电池堆可产生70kW的功率。然而，车辆加速可能需要100kW或更大的功率。在燃料电池堆能够满足系统功率需求时，燃料电池堆用于给电池再次充电。从牵引马达可用的发电机功率能够提供再生制动，其还能够用于通过DC总线线路给电池再次充电。
在一些采用高压电池的燃料电池系统设计中，高压部件（包括电牵引马达）电联接到高压总线。高压总线直接连接到电池并以电池电压操作，其中DC/DC燃料电池增压电路提供在燃料电池堆和高压总线之间以允许燃料电池堆电压独立于DC总线电压而变化。替代地，该系统的高压部件电联接到直接联接到燃料电池堆的高压总线，使得所述部件以堆电压操作，其中DC/DC增压电路提供在高压总线和电池之间以允许电池电压独立于总线电压而变化。
发明内容
根据本发明的教导，公开了一种燃料电池系统，其不包括与燃料电池堆结合的高压电池。燃料电池堆和双向功率模块电联接到高压总线。第一较大容量12伏特电池电联接到与高压总线相对的功率模块，并且第二较小容量12伏特电池电联接到第一12伏特电池，其中二极管电联接在第一12伏特电池和第二12伏特电池之间，并且仅允许电流从第一12伏特电池流到第二12伏特电池。12伏特电池载荷电联接到第二12伏特电池。
本发明的附加特征将从以下说明和所附权利要求书结合附图显而易见。
本发明还提供了以下方案：
1. 一种燃料电池系统，包括：
高压总线；
电联接到所述高压总线的燃料电池堆；
电联接到所述高压总线的双向功率匹配模块；
电联接到与所述高压总线相对的功率模块的第一12伏特电池；
电联接到所述第一12伏特电池的第二12伏特电池，所述第二12伏特电池是比所述第一12伏特电池容量小的电池；
二极管，所述二极管电联接在所述第一12伏特电池和第二12伏特电池之间，并且仅允许电流从所述第一12伏特电池流到所述第二12伏特电池；以及
电联接到所述第二12伏特电池的多个12伏特载荷。
2. 根据方案1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述第一12伏特电池和第二12伏特电池是铅酸电池。
3. 根据方案1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统处于车辆上。
4. 根据方案1所述的燃料电池系统，其特征在于，其还包括电联接到所述高压总线的多个高压载荷。
5. 根据方案4所述的燃料电池系统，其特征在于，所述高压载荷包括电牵引马达。
6. 一种用于车辆的燃料电池系统，包括：
高压总线；
电联接到所述高压总线的燃料电池堆；
电联接到所述高压总线的双向功率匹配模块；以及
电联接到与所述高压总线相对的功率模块的第一12伏特铅酸电池。
7. 根据方案6所述的燃料电池系统，其特征在于，其还包括电联接到所述第一12伏特电池的第二12伏特电池。
8. 根据方案7所述的燃料电池系统，其特征在于，所述第二12伏特电池具有比所述第一12伏特电池小的容量。
9. 根据方案7所述的燃料电池系统，其特征在于，其还包括二极管，所述二极管电联接在所述第一12伏特电池和第二12伏特电池之间，并且仅允许电流从所述第一12伏特电池流到所述第二12伏特电池。
10. 根据方案7所述的燃料电池系统，其特征在于，其还包括电联接到所述第二12伏特电池的多个12伏特载荷。
11. 根据方案6所述的燃料电池系统，其特征在于，其还包括电联接到所述高压总线的多个高压载荷。
12. 根据方案11所述的燃料电池系统，其特征在于，所述高压载荷包括电牵引马达。
13. 一种用于车辆的燃料电池系统，包括：
高压总线；
电联接到所述高压总线的燃料电池堆；
电联接到所述高压总线的双向功率匹配模块；
电联接到与所述高压总线相对的功率模块的第一12伏特铅酸电池；
电联接到所述第一12伏特电池的第二12伏特铅酸电池；
二极管，所述二极管电联接在所述第一12伏特电池和第二12伏特电池之间，并且仅允许电流从所述第一12伏特电池流到所述第二12伏特电池；以及
电联接到所述第二12伏特电池的多个12伏特载荷。
14. 根据方案13所述的燃料电池系统，其特征在于，所述第二12伏特电池是比所述第一12伏特电池容量小的电池。
15. 根据方案13所述的燃料电池系统，其特征在于，其还包括电联接到所述第二12伏特电池的多个12伏特载荷。
16. 根据方案13所述的燃料电池系统，其特征在于，其还包括电联接到所述高压总线的多个高压载荷。
17. 根据方案16所述的燃料电池系统，其特征在于，所述高压载荷包括电牵引马达。
附图说明
图1是包括电联接到高压总线的燃料电池堆和高压电池的燃料电池系统的示意性框图；和
图2是不包括与燃料电池堆结合的高压电池，而是包括两个12伏特电池的燃料电池系统的示意性框图。
具体实施方式
本发明实施例的下述讨论涉及用于车辆的燃料电池系统，该燃料电池系统除了燃料电池堆以外，不包括高压补充功率源（例如电池），而是该燃料电池系统包括两个12伏特电池，下述讨论本质上仅为示例性的，并且绝不旨在限制本发明或者其应用或使用。
图1是包括燃料电池堆12的燃料电池系统10的示意性框图。燃料电池堆12电联接到高压总线14，该高压总线14提供功率以驱动各种电气载荷。在此例子中，电牵引马达和其他高压载荷16直接联接到高压总线14。因此，电气载荷16从总线14汲取功率，其中总线14上的电压由燃料电池堆12的输出电压确定。燃料电池系统10包括高压电池18，该高压电池18也通过DC/DC增压电路20电联接到高压总线14。因为电池18和燃料电池堆12具有不同的输出电压，电池18的充电/放电功率需要被转移到燃料电池堆12的输出电压水平，其由DC/DC增压电路20以本领域技术人员公知的方式提供。在替代实施例中，电气载荷16能够以电池18的输出电压操作，其中DC/DC增压电路20将在燃料电池堆12的输出提供，并且电气载荷16也以本领域技术人员公知的方式将堆12的输出功率转移到高压总线14。如上所述，电池18能够补充燃料电池堆12的输出功率用于需要补充功率的猛加速和其他情况下。此外，作为载荷16一部分的电牵引马达能够在再生制动期间提供功率到再充电电池18。
燃料电池系统10还包括电联接到高压总线14的辅助功率模块（APM）26，其还作为电压转换装置操作。12伏特电池28电联接到APM 26，其中APM 26从高压总线14减去电压以使电池28再充电。电池28驱动车辆中的辅助低功率载荷，例如灯、气候控制装置、收音机，等等，在此表示为12伏特载荷30。另外，APM 26能够在一定车辆操作条件下从电池28设定低电压并提供功率到总线14，例如在系统启动的情况下。
在燃料电池系统10中具有补充高电压源（特别是电池18）提供了很多提供该补充功率的优点。然而，电池18是重的、成本高的、复杂的、需要车辆中有大且防碰撞的空间，等等。此外，温度对电池18的性能具有重大影响，其中低温导致电池18具有低功率输出。此外，现代电池（例如锂离子电池）具有高性能，但是典型地比较低性能电池（例如铅/酸电池）具有较低鲁棒性（robust），并且这样需要大量的监督控制以监控电池充电状态、温度，等等，从而维持性能。此外，因为这些类型的电池的温度依存性，电池需要在正常操作和高功率流期间被冷却并且在低温度启动期间被加热，由此需要显著的冷却能力、温度感测、流动控制，等等。因此，即使这些类型的现代电池提供了性能上的显著提高，但是为了达到该性能而在其优化点操作电池所需的监控和控制也是大量的。
车辆市场在不同地域经常是不同的。例如，一些车辆市场会要求的高性能中快速加速是重要的，但是车辆最高速度可以不那么重要。在其他市场，快速加速的高性能可以不是重要的，但是车辆最高速度是重要的。电池18可以为需要此类性能的这些市场提供高加速性能，但是会希望较小的燃料电池堆，因为最高车辆速度不是那么重要。对于可以不要求快速加速的这些市场，为了最高速度会希望大燃料电池堆，但是电池18对于快速加速可以不是必须的。
此外，对于提供猛制动的这些情况，会希望的是提供高压电池，该高压电池能够接收用于电池充电目的的大量再生制动功率。然而，统计上猛再生制动的此类例子是相对稀有的。另外，驱动循环效率中的潜在损失由于在再生制动期间不能够捕捉大量能量而在加速期间通过减小的车辆重量补偿。
因此，各种设计考虑确定用于燃料电池车辆的功率源要求。对于一定类型的燃料电池车辆，可行的是并且因此希望的是消除电池18和DC/DC增压电路20并且仍提供可靠的且希望的车辆操作。根据本发明，燃料电池系统40在图2中示出，其中对于系统10相同的元件由相同的附图标记表示，并且其中电池18和增压电路20已经被消除。在系统40中，电池28能够是便宜的且鲁棒的铅/酸12伏特电池，并且仍满足系统40的性能要求。APM 26将提供高压总线14和电池28之间的功率的双向下转换，如本领域技术人员公知的。另外，能够提供较小容量12伏特电池，其电联接到较大容量12伏特电池28，并且提供功率到载荷30。以此方式，通过APM 26向高压总线14提供功率而可向下汲取的电池28电压能够从载荷30缓冲，其中车辆上的灯等等将不会响应于功率从电池28的汲取而变暗。换言之，随着在电池28提供功率到总线14的时间里载荷30从电池42汲取功率，载荷30能够通过二极管44与电池28隔离，使得仅电池42的电池功率驱动载荷30。虽然在本实施例中电池具有较小容量，在其他实施例中其可与电池28容量相同或比电池28容量大。
高性能车辆市场要求短的0到60 mph加速时间。这驱动燃料电池车辆电气构架，其特征在于燃料电池输送相对低的连续功率水平。加速需要的瞬时功率由强力HV电池覆盖。标准性能车辆市场还要求高最高速度，但是较慢0-100 km/h加速时间也是被接受的。能够覆盖高最高速度的高连续功率需求的燃料电池还能够覆盖加速的功率需求而不由高压电池辅助。
本发明建议使用稍大的DC/DC转换器来连接低电压电池和高压总线和较大12V电池。此方式不仅使能燃料电池系统启动。12V/HV转换器能够提供功率以加速燃料电池空气压缩机，较高气流允许更多功率更早从燃料电池汲取。另外，12V/HV转换器可以支持高压总线以操作高电压车辆辅助设备，例如HVAC压缩级，而燃料电池备用，其转而允许燃料（氢）节省。12V电池28在车辆减速（即，牵引马达制动车辆且将机械能转化为电能）期间可以再充电。此外，电池28可以在零牵引扭矩条件下充电，其中功率水平将足以加载燃料电池，使得避免了低效率操作。
前述说明仅仅公开和描述本发明的示例性实施例。本领域技术人员从这种说明和附图以及权利要求书将容易认识到，能够对本发明进行各种变化、修改和变型，而不偏离由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种燃料电池系统，包括：
高压总线；
电联接到所述高压总线的燃料电池堆；
电联接到所述高压总线的双向功率匹配模块；
电联接到与所述高压总线相对的功率模块的第一12伏特电池；
电联接到所述第一12伏特电池的第二12伏特电池，所述第二12伏特电池是比所述第一12伏特电池容量小的电池；
二极管，所述二极管电联接在所述第一12伏特电池和第二12伏特电池之间，并且仅允许电流从所述第一12伏特电池流到所述第二12伏特电池；以及
电联接到所述第二12伏特电池的多个12伏特载荷。
2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述第一12伏特电池和第二12伏特电池是铅酸电池。
3.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，所述燃料电池系统处于车辆上。
4.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其特征在于，其还包括电联接到所述高压总线的多个高压载荷。
5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其特征在于，所述高压载荷包括电牵引马达。
6.一种用于车辆的燃料电池系统，包括：
高压总线；
电联接到所述高压总线的燃料电池堆；
电联接到所述高压总线的双向功率匹配模块；以及
电联接到与所述高压总线相对的功率模块的第一12伏特铅酸电池。
7.根据权利要求6所述的燃料电池系统，其特征在于，其还包括电联接到所述第一12伏特电池的第二12伏特电池。
8.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其特征在于，所述第二12伏特电池具有比所述第一12伏特电池小的容量。
9.根据权利要求7所述的燃料电池系统，其特征在于，其还包括二极管，所述二极管电联接在所述第一12伏特电池和第二12伏特电池之间，并且仅允许电流从所述第一12伏特电池流到所述第二12伏特电池。
10.一种用于车辆的燃料电池系统，包括：
高压总线；
电联接到所述高压总线的燃料电池堆；
电联接到所述高压总线的双向功率匹配模块；
电联接到与所述高压总线相对的功率模块的第一12伏特铅酸电池；
电联接到所述第一12伏特电池的第二12伏特铅酸电池；
二极管，所述二极管电联接在所述第一12伏特电池和第二12伏特电池之间，并且仅允许电流从所述第一12伏特电池流到所述第二12伏特电池；以及
电联接到所述第二12伏特电池的多个12伏特载荷。
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