CN102487145A - 控制燃料电池混合系统的操作的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种控制燃料电池混合系统的操作的系统和方法。所述方法包括：通过控制器确定怠速停止条件是否在燃料电池混合系统的正常操作模式期间已经得到满足；响应于怠速停止条件得到满足，切断对燃料电池的空气供应以停止燃料电池的发电并减小燃料电池的电压；减小连接在电池和母线端子之间的双向转换器的电压；基于第一预定值控制燃料电池的输出并保持第一预定值；和经由通过保持双向转换器的减小的电压而产生的燃料电池的输出电流对电池强制充电，其中阴极中的氧气被消耗并且燃料电池的电压变得低于双向转换器的电压。

Description

控制燃料电池混合系统的操作的系统和方法
技术领域
本发明涉及一种控制燃料电池混合系统的操作的系统和方法。更特别地，本发明涉及一种通过使用燃料电池作为主动力源并使用能量储存装置作为辅助动力源来控制燃料电池混合系统的操作的系统和方法，其能够有效地避免燃料电池在操作期间的低功率和低效率区域。
背景技术
氢燃料电池车内的典型燃料电池系统包括通过反应气体的电化学反应产生电力的燃料电池堆，将作为燃料的氢气供应给燃料电池堆的氢气处理系统，供应作为燃料电池堆中的电化学反应所需的氧化剂的含氧空气的空气处理系统，以及热管理系统(TMS)。TMS负责将反应热从燃料电池堆排放到燃料电池系统的外部、控制燃料电池堆的操作温度、以及执行水管理功能。
在车辆的燃料电池系统中，当仅燃料电池被用作车辆的动力源时，构成车辆的所有负载由燃料电池供以电力，并且因此燃料电池的性能可能会在操作期间恶化，在这种情况下燃料电池的效率较低。
因此，当突然有负载施加到车辆时，燃料电池的输出电压突然下降，并且因此未能将足够的动力供应给驱动电动机，这可能会恶化车辆的性能。此外，燃料电池具有单向输出特性，并且因此难以在车辆制动期间从驱动电动机恢复能量。因此，这也会恶化车辆的性能。
在致力于克服这些缺点的过程中，汽车工业已经发展出燃料电池混合动力车。除了作为主动力源的燃料电池之外，燃料电池混合动力车还配备有作为辅助动力源的适合的能量储存装置(诸如高电压电池或超级电容器)来提供驱动驱动电动机和高电压部件所需的适合的动力。
在该混合系统中，使用在车辆的怠速状态下停止燃料电池发电的怠速停止模式。为了避免低功率区域并因此改善燃料电池系统的效率和提高耐久性，已经提出了用于低效率区域的避免操作的各种方法。
典型地，在燃料电池和超级电容器直接连接在一起的系统中，切断空气供应以关掉燃料电池混合系统的输出。通过这样做，燃料电池的输出通过双向功率变换器的电压而被直接控制。
更具体地，美国专利第7,196,492号公开了一种实现燃料电池超级电容器混合系统的怠速停止模式的方法，其中基于主母线端子的电压及其变化率来确定怠速停止模式，并且通过位于燃料电池一端的开关的操作来暂停燃料电池的发电。
此外，美国专利第7,377,345号公开了一种用于配备有功率变换器的燃料电池车的怠速控制系统。在该实例中，当车辆负载较小时(即，在正常负载跟踪操作期间)执行燃料电池在最佳效率点工作的发电模式，并且当能量较高时执行停止燃料电池发电的发电停止模式。
此外，也由本申请人提交的韩国专利公开10-2010-0005768公开了一种包括燃料电池和储存装置的燃料电池混合动力车的怠速停止启动控制方法，其中在特定电压下切断空气供应使得燃料电池的发电被自动停止而不需要开关或功率变换器的操作。
然而，迄今，尚未有效地发展出能够有效地避免燃料电池在操作期间的低功率和低效率区域的用于控制燃料电池混合系统的操作的系统和方法。特别是关于更高效的怠速停止启动控制系统和方法，情况确实是如此。
本背景技术部分中公开的上述信息只是为了增强对本发明的背景的理解，并且因此可能包含不构成在该国对本领域普通技术人员而言已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明提供了一种控制燃料电池混合系统的操作的系统和方法。更具体地，本发明包括作为主动力源的燃料电池和作为辅助动力源的能量储存装置。有利地，本系统可以有效地避免燃料电池在操作期间的低功率和低效率区域，并提供更高效的怠速停止启动控制。
在一个方面中，本发明提供了一种控制燃料电池混合系统的操作的系统和方法。更具体地，该系统和方法允许车辆以燃料电池系统的正常操作模式运行。如果怠速停止条件在燃料电池系统的正常操作模式期间得到满足，则切断对燃料电池的空气供应以便停止燃料电池的发电并减小燃料电池的电压。然后，双向高电压DC-DC转换器的电压被减小。该DC-DC转换器例证性地连接在高电压电池和主母线端子之间。结果，燃料电池的输出被控制为被保持的预定值(V②)。当保持预定值时，高电压电池由通过保持DC-DC转换器的减小的电压而产生的燃料电池的输出电流强制充电。通过这样做，阴极中的氧气被消耗并且燃料电池的电压变得比DC-DC转换器的电压低。
在另一实施例中，在燃料电池系统的正常操作模式中，执行负载跟踪操作控制。在负载跟踪操作控制中，燃料电池的输出根据负载而被控制。另外，执行电压上限控制使得燃料电池的低输出区域的使用通过双向高电压DC-DC转换器的电压上限控制而被限制。更具体地，在电压上限控制中，确定双向高电压DC-DC转换器的电压控制上限值并且把在操作期间根据负载控制的双向高电压DC-DC转换器的电压限制到双向高电压DC-DC转换器的电压控制上限值。
在本发明的另一实施例中，响应于重新启动条件在燃料电池系统的怠速停止模式中得到满足，双向高电压DC-DC转换器的电压可以增大到预定值(V③)并保持在该预定值(V③)。然后在主母线端子的电压增大的状态下，燃料电池系统可以通过启动对燃料电池的空气供应而被重新启动，使得燃料电池的电压增大到预定值(V③)并且产生燃料电池的电流输出。在燃料电池已经被稳定(例如，重新启动处理已经终止)并且燃料电池系统进入正常操作模式之后，取消双向高电压DC-DC转换器的电压的预定值(V③)的保持。
本发明的其它方面和实施例在下文中讨论。
附图说明
现在将参考通过附图示出的本发明的某些示例性实施例来详细描述本发明的上述及其它特征，其中附图将在下文中仅通过例证的方式给出，并且因此并非对本发明进行限制，其中：
图1是示出根据本发明的示例性实施例的控制系统和方法所应用于的燃料电池混合系统的配置的示意图。
图2是示出在根据本发明的示例性实施例的控制处理中用于确定燃料电池系统的怠速停止条件、怠速停止禁止条件和启动条件的标准的图。
图3是示出用于确定车辆负载条件的标准的图。
图4是示出根据本发明的示例性实施例的燃料电池系统的怠速停止启动处理的图。
图5是示出根据本发明的示例性实施例的燃料电池系统的怠速停止启动处理的实例的图。
附图中陈列的附图标记包括对下面进一步讨论的以下元件的引用：
10：燃料电池
11：主母线端子
13：二极管
14：继电器
20：高电压电池
21：双向高电压DC-DC转换器(BHDC)
31：逆变器
32：驱动电动机
40：低电压电池
41：低电压电子负载
42：低电压DC-DC转换器(LDC)
应该理解的是，附图不一定要依比例，而是呈现出说明本发明的基本原理的各种特征的稍微简化的表示。本文中公开的本发明的特定设计特征，包括例如特定尺寸、方向、位置和形状，将部分地由期望的特定应用和使用环境来确定。
在附图中，附图标记在附图的几幅图中始终指代本发明的相同或等效部分。
具体实施方式
现在将在下文中详细参考本发明的各种实施例，其实例在附图中示出并在下面描述。虽然将结合示例性实施例来描述本发明，但应理解的是，本说明并非旨在将本发明限于那些示例性实施例。相反，本发明旨在不仅涵盖这些示例性实施例，而且涵盖可包括在所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内的各种替代形式、改型、等效形式和其它实施例。
应该理解的是，本文中使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语包括一般的机动车辆(诸如包括运动型多功能车(SUV)、公共汽车、卡车、各种商用车辆在内的客车)、包括各种艇和船在内的水运工具、飞行器等，并且包括混合动力车、电动车、插电式混合电动车、氢动力车以及其它代用燃料车(例如从除石油以外的资源中取得的燃料)。如本文中所述，混合动力车是具有两个或更多个动力源的车辆，例如既有汽油动力又有电动力的车辆。
本发明提供了一种控制燃料电池混合系统的操作的系统和方法。更具体地，燃料电池混合系统包括作为主动力源的燃料电池和作为辅助动力源的能量储存装置，其能够有效地避免燃料电池在操作期间的低功率和低效率区域。
有利地，本发明提供了一种通过控制连接到作为辅助动力源的能量储存装置(例如，在一个实施例中为高电压电池)的双向高电压DC-DC转换器的电压并同时控制空气供应，来有效地避免燃料电池在操作期间的低功率和低效率区域的方法。
图1是示出根据本发明的实施例的控制方法所应用于的燃料电池混合系统的配置的示意图。
如图1所示，车辆的燃料电池混合系统例证性地具有作为主动力源的燃料电池10，和作为辅助动力源的高电压电池20(即，主电池)，它们通过主母线端子11并联连接。双向高电压DC-DC转换器(BHDC)21例如在高电压电池20和燃料电池10之间串联连接到高电压电池20以控制高电压电池20的输出。此外，逆变器31(其连接到驱动电动机32)在高电压电池20的输出侧上连接到燃料电池10和主母线端子11。系统还具有其它负载，诸如高电压电子负载33、低电压电池40和低电压电子负载41，它们是除了逆变器31和驱动电动机32之外还被操作的所有车辆负载。为了将高电压转换成低电压，低电压DC-DC转换器(LDC)42连接在低电压电池40和主母线端子11e之间。
此处，用作车辆的主动力源的燃料电池10和用作辅助动力源的高电压电池20通过主母线端子11并联连接到系统中的各个负载，诸如逆变器31、驱动电动机32等。另外，连接到高电压电池20的端子的双向高电压DC-DC转换器21被连接到燃料电池10的输出侧上的主母线端子11，以便通过控制双向高电压DC-DC转换器21的电压(例如，对主母线端子的输出电压)来控制燃料电池10的输出和高电压电池20的输出。
设置二极管13以防止反向电流流经燃料电池10，并且设置继电器14以选择性地将燃料电池10连接到主母线端子11。继电器14在燃料电池混合系统的怠速停止启动状态下以及在燃料电池10正常操作期间处于闭合状态，并且仅在车辆的熄火(key-off)期间(即，根据熄火操作正常停车期间)或紧急停车期间处于断开状态。
此外，用于使驱动电动机32转动的逆变器31通过主母线端子11连接到燃料电池10和高电压电池20的输出侧，以转换从燃料电池10和/或高电压电池20供应的电力的相位，从而驱动驱动电动机32。
在上述燃料电池混合系统中，驱动电动机32在仅使用燃料电池10的输出(电流)的燃料电池模式下、在仅使用高电压电池20的输出的电动车(EV)模式下、或者在燃料电池10的输出由高电压电池20的输出辅助的混合模式下被驱动。
在燃料电池系统的怠速停止启动处理之后、驱动电动机32由燃料电池10的输出驱动之前工作的EV模式中，燃料电池10的发电被停止，并且因此驱动电动机32和车辆应该仅由高电压电池20的输出驱动。
在EV模式中，在继电器14接通并且燃料电池10的发电被停止(例如，通过切断向燃料电池10的空气供应)的状态下，高电压电池20的电压经由连接到高电压电池20的双向高电压DC-DC转换器21升高以增大主母线端子11的电压，使得车辆负载(诸如逆变器31、驱动电动机32等)能够仅通过高电压电池20的输出来驱动。
例证性地，在燃料电池系统的怠速停止期间切断空气供应并且在燃料电池系统重新启动期间启动空气供应。当燃料电池系统在重新启动处理之后返回到正常操作模式时，燃料电池10的输出然后在正常供应空气的状态下根据车辆负载被跟踪控制(即，负载跟踪操作控制)，并且取消双向高电压DC-DC转换器21的升压操作。
图2是示出在根据本发明的实施例的燃料电池系统中用于确定怠速停止条件(其中切断空气供应并停止燃料电池发电)应该发生、怠速停止禁止条件应该发生、或者启动条件应该发生的步骤的图。
如图2所示，控制器通过车辆状态检测处理和燃料电池状态检测处理来控制燃料电池系统的怠速停止模式、怠速停止禁止模式和启动模式。首先，在车辆状态检测处理中，控制器根据(与车辆状态条件相对应的)车辆负载和高电压电池的充电状态(SOC)来确定燃料电池开启(发电)和关闭(发电停止)条件。此外，在燃料电池状态检测处理中，控制器在考虑(与燃料电池状态条件相对应的)燃料电池的紧急操作条件、燃料电池堆的温度、燃料电池堆的阳极的压力、控制器之间的通信状态、加热器的操作等的情况下确定燃料电池系统的怠速停止条件、怠速停止禁止条件和启动条件。
此处，当车辆状态检测处理的燃料电池关闭条件和燃料电池状态检测处理的怠速停止条件同时满足时执行燃料电池怠速停止处理，并且当车辆状态检测处理的燃料电池开启条件和燃料电池状态检测处理的启动条件中的任何一个被满足时执行燃料电池重新启动处理。
如图2的左图所示，在车辆状态检测处理中，当车辆负载大于预定参考值(例如，在燃料电池请求输出Pidle_on以上)时，确定满足燃料电池开启条件。
此外，仅当车辆负载小于预定参考值(例如，在燃料电池请求输出Pidle_off以下)并且高电压电池的SOC高于预定上限值(SOChigh)时，确定满足燃料电池关闭条件。
此外，当车辆负载小于预定下限(Plow)但是高电压电池的SOC低于预定下限值(SOClow)时，确定满足燃料电池开启条件。然而，燃料电池在操作期间的输出值被保持在预定值(Pidle_on)以上以便对高电压电池充电。
在车辆状态检测处理中，在全加速期间或在突然加速到某个水平以上期间燃料电池开启条件鉴于系统的响应可能会再得到满足，并且在再生制动以增大再生制动的回收率期间燃料电池关闭条件可能会再得到满足。
在燃料电池状态检测处理中，如图2的右图所示，当燃料电池处于紧急操作状态(例如，当燃料电池堆的温度在预定温度以下、当燃料电池堆的阳极的压力在预定压力以下、当在来自鼓风机控制器的通信中存在故障、或者当加热器正在被操作时)，确定燃料电池的发电应该被保持(在怠速停止禁止条件和启动条件中)(即，图2中的“燃料电池状态OK＝0”)。否则，确定可以执行燃料电池系统的怠速停止模式(即，图2中的“燃料电池状态OK＝1”)。
在车辆状态检测处理和燃料电池状态检测处理中，仅当燃料电池关闭条件和怠速停止条件同时满足时(即，如果在图2中“燃料电池关闭并且燃料电池状态OK＝1”)，燃料电池系统可以进入怠速停止模式。否则，当任何一个条件不满足时，禁止进入燃料电池系统的怠速停止模式。
例如，即使车辆状态条件(诸如车辆负载和高电压电池的SOC)满足燃料电池关闭条件，当在燃料电池状态检测处理中确定满足怠速停止禁止条件(即，如果“燃料电池状态OK＝1”)时，可以禁止进入燃料电池系统的怠速停止模式。
此外，当车辆状态检测处理的燃料电池开启条件和燃料电池状态检测处理的怠速停止禁止条件被满足时(即，如果在图2中“燃料电池开启或者燃料电池状态OK＝0”)，禁止怠速停止模式(例如，在正常操作状态的情况下)或者重新启动燃料电池(例如，在怠速状态的情况下)。例如，即使在燃料电池系统的怠速停止模式中车辆状态条件(诸如车辆负载和高电压电池的SOC)不满足燃料电池开启条件(例如，如果“燃料电池关闭”)，当在燃料电池状态检测处理中确定燃料电池的发电应该重新启动(在“燃料电池状态OK＝0”的启动条件下)时，仍可以重新启动燃料电池。
图3是示出用于确定车辆负载条件的标准的图，其中(b)示出关于燃料电池系统的输出(包括燃料电池堆的功率和系统平衡(balance-of-plant)部件的功率)的效率和与对应于输出Pidle的输出Vidle相对应的电压的电压曲线。
低输出区域中的效率由于全部各种系统部件的功率平衡问题而常常非常低。为了避免这样的不平衡，把效率降低时的时间点处的输出Pidle确定为用于确定车辆负载条件是否已经得到满足的标准，并且在图3的(a)的电压-电流曲线中，把与输出Pidle相对应的电压Vidle或电压Vidle附近的电压值(图5中的V①)确定为双向高电压DC-DC转换器的电压控制上限值，使得双向高电压DC-DC转换器的电压在燃料电池系统的正常操作模式中被限制到预定电压控制上限值，从而限制燃料电池的低输出区域的使用。
如此，在本发明中，双向高电压DC-DC转换器的电压控制上限值被确定成使得双向高电压DC-DC转换器的电压被限制到在燃料电池系统的正常操作模式期间(即，在执行燃料电池的负载跟踪操作控制的状态下)控制的预定电压控制上限值，并且因此燃料电池的低输出区域的使用受到限制，同时双向高电压DC-DC转换器的电压被限制到预定电压控制上限值。
当确定双向高电压DC-DC转换器的电压上限值时，燃料电池的输出被保持在预定水平以上，并且因此燃料电池的低输出区域的使用受到限制。然而，当燃料电池系统的输出一贯地保持在Pidle以上时，电池可能会在低功率区域中被过度充电并且再生制动量可能会因此受到限制。因此，如上所述，在再生制动期间或在车辆状态检测处理中的高输出和高SOC条件(即，如果在图2中“燃料电池关闭”)期间，燃料电池被关闭(即，怠速停止模式被应用)，从而在系统中避免低效率区域。
参考图3的(b)，燃料电池怠速停止区域和燃料电池使用区域被分开示出。在本发明中，燃料电池在“燃料电池使用区域”中被使用或者响应于达到预定阈值Pidle而在“燃料停止区域”中被完全关闭。因此，整个系统的整体效率被有效地提高。
图4是示出根据本发明的说明性实施例的燃料电池系统的怠速停止启动处理的图，并且图5是示出根据本发明的说明性实施例的燃料电池系统的怠速停止启动处理的实例的图。根据本发明的控制处理将在下面参考图4和5逐步地描述。
首先，如图所示，在燃料电池系统的正常操作模式中，执行根据系统上的负载来控制燃料电池的输出的负载跟踪操作控制，并且燃料电池的输出控制以这样的方式执行，使得控制器控制双向高电压DC-DC转换器的主母线端子的输出电压(在下文中称为双向高电压DC-DC转换器(BHDC)的电压)。
在本发明中，根据燃料电池系统的正常操作模式来确定双向高电压DC-DC转换器的电压控制上限值(图5中的V①)，使得根据负载控制的双向高电压DC-DC转换器的电压被限制到预定电压控制上限值，并且因此燃料电池的低输出区域的使用受到限制。
如此，当双向高电压DC-DC转换器的电压在正常操作模式下的负载跟踪操作期间受到控制时，双向高电压DC-DC转换器的电压被限制到预定电压控制上限值，使得燃料电池的输出被保持在预定水平以上。
然后，如果在车辆状态检测处理中确定车辆状态条件(诸如车辆负载和高电压电池的SOC)满足燃料电池关闭条件(这已经参考图2进行过描述)，则在燃料电池状态检测处理中确定燃料电池状态满足燃料电池系统的怠速停止条件。
此处，即使车辆状态条件满足燃料电池关闭条件，如果在燃料电池状态检测处理中确定车辆状态条件对应于燃料电池系统的怠速停止禁止条件(即，如果在图2中“燃料电池堆OK＝0”)，则禁止燃料电池系统的怠速停止使得燃料电池处于操作状态，并且取消双向高电压DC-DC转换器的电压被限制到预定电压控制上限值(V①)的电压上限控制，使得即使在低输出区域中也可以使用燃料电池。
这样做的原因如下。当燃料电池的输出较低并且高电压电池的SOC较高时，燃料电池不能被关闭(即，在怠速停止禁止条件下)，如果燃料电池的输出通过双向高电压DC-DC转换器的电压上限控制被连续保持在预定水平以上，则高电压电池可能会被过度充电。
在图5中，电压控制上限值V①可以预先确定为图3的电压Vidle或电压Vidle附近的电压值。如果在燃料电池状态检测处理中确定燃料电池系统的怠速停止条件被满足，则执行燃料电池系统的怠速停止处理。即，切断向燃料电池的空气供应(例如，通过关闭诸如鼓风机之类的空气供应系统)使得燃料电池的电压降到主母线端子的电压以下并且因此燃料电池的输出(即，电流输出)不被供应给主母线端子(参考图5中切断空气供应之后的燃料电池电流)。
随后，在切断空气供应的预定时间之后(或者在由例如流量计确定空气未被供应之后)，双向高电压DC-DC转换器的电压被减小到预定值(图5中的V②)使得阴极中残存的氧气被消耗。即，当双向高电压DC-DC转换器的电压被减小到预定值以下并且保持在该水平时，主母线端子内的电压被减小，并且在这种情况下，来自燃料电池的电流被再次输出到主母线端子，同时阴极中的氧气被消耗。此时，高电压电池通过燃料电池的输出被强制充电。
即，在燃料电池的电压下降到双向高电压DC-DC转换器的电压(即，主母线端子的电压)以下之前，高电压电池通过所产生的燃料电池的输出电流被充电，同时阴极中的氧气被消耗，并且因此燃料电池的阴极中残存的氧气可以通过高电压电池的强制充电而被去除为预定水平。
此外，当燃料电池的电压通过阴极中氧气的消耗而被减小到双向高电压DC-DC转换器的电压以下时，高电压电池的充电被终止。然而，由于阳极中的氢气连续地通过电解质膜渗透(cross over)到阴极，所以阴极中的氧气被逐渐消耗。因此，当燃料电池的电压被完全去除时，完成进入怠速停止模式。
在切断空气供应之后的燃料电池的发电停止模式期间，阳极中的氢气渗透到阴极，并且因此燃料电池的电压自然地减小为零，但是此时，渗透到阴极的氢气被浪费。因此，当阴极中的氧气被消耗时产生的燃料电池的输出可以通过在切断空气供应之后将双向高电压DC-DC转换器的电压减小到预定值(V②)而被用于对高电压电池充电，同时燃料电池的电压可以被减小，从而在耐久性和燃料效率方面提供了有利的效果。
此外，当在阴极中的氧气被消耗时对高电压电池强制充电之后，燃料电池的电压下降到主母线端子的电压(即，双向高电压DC-DC转换器的电压)以下时，电流输出不再从燃料电池供应，并且因此执行驱动电动机仅通过高电压电池的输出来驱动的EV模式。
参考图5，可以看出在切断空气供应之前双向高电压DC-DC转换器的电压和燃料电池的电压被限制到电压控制上限值V①，此时燃料电池的电流通过电压上限控制而被保持在恒定水平。还可以看出电池的电流通过电动机控制单元(MCU)被供应到转换器使得车辆以EV模式运行直到燃料电池在切断空气供应之后重新启动。此处，执行主母线端子的电压通过控制双向高电压DC-DC转换器的电压而被保持在预定值(V②)(其可以是恒定值或可变值)的EV模式。
在切断空气供应之后双向高电压DC-DC转换器的电压被减小的预定值(V②)的确定，应该根据双向高电压DC-DC转换器的效率和驱动电动机的效率来最优化。
尽管根据驱动电动机的效率确定处于高水平的预定值(V②)是有利的，但是可能更好的是，根据双向高电压DC-DC转换器的效率确定处于低水平的预定值(V②)使得车辆以EV模式运行。因此，有必要确定最佳值(V②)。
当车辆以EV模式运行时，如上所述，如果车辆状态条件满足燃料电池开启条件或者如果燃料电池状态条件满足启动条件(即，如果在图2中“燃料电池堆OK＝0”)，则燃料电池系统被重新启动。
此时，双向高电压DC-DC转换器的电压被增大到预定值(图5中的V③)并保持在该水平，由此防止燃料电池的输出被过度供应给主母线端子。
此处，与燃料电池系统重新启动期间增大的双向高电压DC-DC转换器的电压相对应的预定值(V③)可以被确定并控制为图3的电压Vidle或电压Vidle附近的电压值。
当车辆负载条件不能满足时(即，在车辆负载不满足预定参考值的低负载状态下，即，当车辆负载在燃料电池请求输出Pidle_on以下时)，如果燃料电池系统由于故障而被重新启动，则双向高电压DC-DC转换器的电压可以被增大到开路电压附近的值，即增大到OCV以下的最大值。其原因是，当重新启动的电压值(即，与双向高电压DC-DC转换器的增大的电压相对应的预定值(V③))在车辆负载在参考值以下并且高电压电池的SOC较高的状态下被保持在图2的电压Vidle附近的值时，高电压电池通过燃料电池的输出被过度充电。
然后，在由例如伏特计确定例如主母线端子的电压被保持在预定值(V③)之后，启动空气供应从而重新启动燃料电池的发电。此处，空气鼓风机的转速在启动空气供应的时间点被增大，使得燃料电池的电压被增加到与双向高电压DC-DC转换器的增大的电压相对应的预定值(V③)。
此时，燃料电池的电压经由空气供应而被增大，使得燃料电池输出预定输出功率，其等于与双向高电压DC-DC转换器的增大的电压相应的预定值(V③)。
此外，当在燃料电池系统重新启动期间启动空气供应时，为了迅速增大燃料电池的电压，驱动鼓风机使得除了与所需的电流的量相对应的空气量之外，还将预定量(α)的空气供应给燃料电池。因此，供应给燃料电池的空气量是“所需的空气量”和“预定量(α)的空气”的总和。
随后，连续地监测燃料电池状态，并且如果最小电池电压、电池电压偏差、空气流率等被稳定，则终止重新启动处理，并且取消把双向高电压DC-DC转换器的电压保持在预定值。
然后，在正常操作模式期间，再次执行燃料电池的正常负载跟踪操作。此时，双向高电压DC-DC转换器的电压被限制到如上所述的控制上限值V①，使得燃料电池不在低输出区域被使用并且燃料电池输出预定输出功率或更高输出功率。
如此，已经描述了本发明的控制处理。另外，可以从图5看出，根据本发明，燃料电池的低效率区域的避免操作通过控制双向高电压DC-DC转换器的电压、并且同时在怠速停止处理和重新启动处理期间控制空气供应而被有效地执行(可以看出，OCV和电压V①之间的电压未被产生)。
预定电压值V①和V③被确定为电压Vidle附近的电压，并且根据滞后现象(hysteresis)，期望V①可以被确定为与Pidle_off相对应的电压并且V③被确定为与Pidle_on相对应的电压。
此外，例如根据燃料电池所需的电流的量来计算当在重新启动处理期间启动空气供应时需要的空气量。此处，除了与所需电流的量相对应的空气量之外，还将预定量(α)的空气供应给燃料电池，使得燃料电池的电压能够更迅速地得到稳定。
此外，如上所述，当在燃料电池系统的怠速停止模式期间车辆以EV模式运行时，双向高电压DC-DC转换器的电压控制值(V②)在考虑双向高电压DC-DC转换器的效率和驱动电动机的效率的情况下被确定为最佳值，并且与电池电压偏差、空气流率等相关的监测逻辑被禁用以便防止燃料电池系统和车辆由于监测逻辑而被停止运转。
在图5中，在燃料电池的重新启动处理期间，在位于燃料电池末端的继电器(图1中用附图标记14表示)被接通的状态下，双向高电压DC-DC转换器的电压被增大到预定水平并且燃料电池的电压通过对燃料电池的空气供应而被增大，使得燃料电池输出预定输出功率，其等于与双向高电压DC-DC转换器的增大的电压相对应的预定值，从而完成重新启动。此外，正常启动期间的序列可以照原样使用。
有利地，在本发明中，可以通过双向高电压DC-DC转换器的电压上限控制来有效地避免燃料电池在操作期间的低功率和低效率区域，通过OCV区域的避免操作来改善燃料电池系统的耐久性，并通过低效率区域的避免操作来改善车辆的燃料效率。
此外，在怠速停止处理中，当阴极中的氧气被消耗时产生的燃料电池的输出可以用于对高电压电池充电，并且可以实现更高效的怠速停止启动控制方法。
已经参考本发明的实施例对本发明进行了详细描述。然而，本领域技术人员应该理解的是，可以在这些实施例中做出变更而不脱离本发明的原理和精神，其中本发明的范围在所附权利要求及其等价形式中限定。

Claims (11)

1.一种控制燃料电池混合系统的操作的方法，所述方法包括：
通过控制器确定怠速停止条件是否在所述燃料电池混合系统的正常操作模式期间已经得到满足；
响应于所述怠速停止条件得到满足，切断对燃料电池的空气供应以停止所述燃料电池的发电并减小所述燃料电池的电压；
减小连接在电池和母线端子之间的双向转换器的电压；
基于第一预定值控制所述燃料电池的输出并保持所述第一预定值；和
经由通过保持所述双向转换器的减小的电压而产生的所述燃料电池的输出电流对所述电池强制充电，其中阴极中的氧气被消耗并且所述燃料电池的电压变得低于所述双向转换器的电压。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述双向转换器是双向高电压DC-DC转换器，并且在所述燃料电池的电压通过在对所述电池强制充电之后所述阴极中的氧气的消耗而被减小到所述双向高电压DC-DC转换器的电压和所述母线端子的电压以下的状态下，执行驱动电动机仅通过所述电池的输出来驱动的电动车(EV)模式，并且所述母线端子的电压通过控制所述双向高电压DC-DC转换器的电压来确定。
3.如权利要求1所述的方法，其中在所述燃料电池混合系统的所述正常操作模式中，如果诸如车辆负载和高电压电池的充电状态(SOC)之类的车辆状态条件满足燃料电池关闭条件，并且同时如果燃料电池状态不与预定怠速停止禁止条件相对应，则确定所述怠速停止条件得到满足。
4.如权利要求3所述的方法，其中如果所述车辆负载小于预定参考值并且如果所述高电压电池的SOC大于预定上限值，则确定所述燃料电池关闭条件得到满足。
5.如权利要求1所述的方法，其中在所述燃料电池混合系统的所述正常操作模式中，执行所述燃料电池的输出根据负载来控制的负载跟踪操作控制，并且执行确定所述双向转换器的电压控制上限值且把在操作期间根据负载控制的所述双向转换器的电压限制到所述双向转换器的所述电压控制上限值的电压上限控制，使得所述燃料电池的低输出区域的使用通过所述双向转换器的所述电压上限控制而被限制。
6.如权利要求5所述的方法，其中如果燃料电池状态与预定怠速停止禁止条件相对应，则取消所述双向转换器的所述电压上限控制。
7.如权利要求1所述的方法，还包括：
如果重新启动条件在所述燃料电池混合系统的怠速停止模式中得到满足，则将所述双向转换器的电压增大到第二预定值并保持所述第二预定值；
在所述母线端子的电压增大的状态下，通过启动对所述燃料电池的空气供应来重新启动所述燃料电池混合系统，使得所述燃料电池的电压增大到所述第二预定值并且产生所述燃料电池的电流输出；和
在所述燃料电池稳定之后取消所述双向转换器的电压的所述第二预定值的保持，使得重新启动处理被终止并且所述燃料电池系统进入所述正常操作模式。
8.如权利要求7所述的方法，其中当在所述燃料电池系统的重新启动过程中启动对所述燃料电池的空气供应时，驱动鼓风机使得除了根据所述燃料电池所需的电流的量计算出的空气量之外还将预定量的空气供应给所述燃料电池。
9.如权利要求7所述的方法，其中如果燃料电池状态与预定怠速停止禁止条件相对应并且所述燃料电池系统被重新启动，则将所述双向转换器的电压增大到开路电压以下的预定最大值并将其保持在该水平。
10.如权利要求3所述的方法，其中所述怠速停止禁止条件是从以下条件中选出的：
所述燃料电池处于紧急操作状态，燃料电池堆的温度处于预定温度以下，燃料电池堆的阳极的压力处于预定压力以下，在来自鼓风机控制器的通信中存在故障，以及加热器正被操作。
11.一种控制燃料电池混合系统的操作的系统，所述系统包括：
混合燃料电池系统，其被配置成
确定怠速停止条件是否在所述混合燃料电池系统的正常操作模式期间已经得到满足，响应于确定所述怠速停止条件已经得到满足，切断对燃料电池的空气供应以停止所述燃料电池的发电并减小所述燃料电池输出的电压，
减小连接在电池和母线端子之间的双向转换器的电压；
基于第一预定值控制所述燃料电池的输出并保持所述第一预定值；和
经由通过保持所述双向转换器的减小的电压而产生的所述燃料电池的输出电流对所述电池充电，其中所述燃料电池的阴极中的氧气被消耗并且所述燃料电池的电压变得低于所述双向转换器的电压。
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