CN102870265A - 用于控制燃料电池系统能量管理的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于使向至少一个耗电器（71、73）供给电功率的燃料电池系统（50）运行的方法，其中，燃料电池系统（50）包括至少一个燃料电池（11）以及用于供给燃料电池（11）的至少一个附件（12）。依据本发明，确定燃料电池系统（50）的效率（21）并在燃料电池系统（50）的效率（21）低于断开-极限效率（23）的情况下短暂断开燃料电池（11）。

Description

用于控制燃料电池系统能量管理的方法

技术领域

本发明涉及一种按权利要求1前序部分所述的用于使向至少一个耗电器供给电功率的燃料电池系统运行的方法。本发明此外涉及按权利要求13所述的这种方法在汽车上的应用以及按权利要求14前序部分所述的用于使燃料电池系统运行的装置。

背景技术

燃料电池早已公知并特别是近年来在汽车工业领域获得显著意义。

燃料电池基于化学作用产生电能，其中，燃料电池基于这种工作原理，即分子和离子相互电化学反应并由此产生电子流。在此所放出的电子然后作为电流输送通过耗电器。

燃料电池因此是一种能量转换器。通过输送燃料，例如像氢，向燃料电池提供用于产生电流的能量并通过燃料与氧化剂的化学反应转换成电能。

为了使燃料电池运行，必须的是，向反应过程连续输入各原材料（分离物）并连续输出反应产物。这些任务和例如向阴极和阳极供给空气等类似任务由所谓的附件得以确保，属于这些附件的例如有泵、压缩机、真空泵、阀门和控制单元。燃料电池和为其供给的附件称为燃料电池系统。

附件经常也是耗电器。由于在燃料电池的功率降低时，附件的耗电降低至比燃料电池所产生的功率少的程度，因此在系统负载低时，燃料电池系统的系统效率相对于燃料电池的效率降低。这一点导致燃料消耗增加或在汽车上导致油耗增加，因为缺少的能量必须通过发电机，例如汽车的发电机提供。

为解决这一问题，现有技术中公开了各种各样的方案。德国专利DE102 61 418 A1中介绍了燃料电池与蓄电池组和耗电器的电路连接，其中，通过相对于系统其余部分接通和断开燃料电池和蓄电池组来实现系统效率的改进。德国专利DE 10202611 C1介绍了一种方法，该方法控制如何和以何种顺序使燃料电池系统的组件相互电路连接。对实施该方法的系统条件未做详细介绍。德国专利DE 100 56 429 A1同样公开了燃料电池的接通和断开。在此以现存的供给介质为标准进行接通和断开——通过燃料电池系统所达到的效率不起作用。同样视为公开的是在未达到预定的运行负载时断开燃料电池的方案。这种方案思路的基础是，在运行负载低时，系统效率如此低，以致断开燃料电池是合理的。

但是，所公开的这些解决方案具有各种各样的缺点。尤其有问题的是，在静态选择的断开点上断开燃料电池。这导致当由于运行条件，如发电机波动或环境条件，附件所需功率大于燃料电池所产生的功率时，该燃料电池仍有可能未被断开。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种用于使燃料电池系统运行的方法，该方法更好地考虑燃料电池的实际运行条件。

这一目的通过按照权利要求1所述的方法以及按照权利要求9所述的这种方法在汽车上的应用和按照权利要求10所述的用于使燃料电池系统运行的装置得以实现。本发明的有利实施例构成从属权利要求的主题。

本发明的主要构思在于，确定燃料电池系统的效率并在低于特定的断开-极限效率的情况下断开燃料电池。在一种优选的方案中，同时储存在断开时间点上短暂存在的运行负载以及不同的系统状态，例如像温度和压力。当在考虑到那时占主导的系统状态时运行负载超过接通-最大负载值时，有利地重新接通燃料电池。这里本发明意义上的“短暂”是指暂时断开燃料电池。这意味着，燃料电池断开，而燃料电池系统本身则继续运行或至少保持在该系统可以非常迅速地再次恢复运行的状态下。本发明因此不涉及燃料电池系统的最终断开，而是涉及燃料电池系统向“待命（Stand-by）”状态的转换。

为确定燃料电池系统的效率，有利地使输送到燃料电池的能量与通过燃料电池系统所提供的作为有效功率（可用功率）的能量成比例。所输送的能量已知时，作为有效功率所提供的能量可以要么直接测量，要么通过确定附件的能耗并从输送到燃料电池的能量中减去附件的能耗来计算得到。有利地进行电断开燃料电池，也就是将电池与电源分离。但是，同样可以其他方式例如通过停止燃料输送并因此通过结束化学反应来断开燃料电池。

有利地，在超过接通-运行负载值的情况下重新接通燃料电池。为此，例如可以储存运行负载值——在该处断开燃料电池。但是，同样可以设想接通-运行负载值是静态的。

在另一种优选的实施例中，断开-极限效率和/或接通-运行负载值随系统状态而改变。燃料电池的功率并因此燃料电池系统的效率取决于不同的系统状态，例如像温度或压力。为使用尽可能最佳的极限值，因此有利地可以使断开-极限效率和/或接通-运行负载值与各自占主导的系统状态适配。为此，然后存在分析工具——其利用传感器、运行和状态信息能够识别相关的系统状态。优选地，通过所谓的Polling（周期性询问）获得传感器、运行和状态信息。但是，等效的还有使用Interrupt-Request（中断要求）或递归结构。数据然后可以任意的数据结构，例如字段（数据组）、列表或方框图储存。有利地，这种数据结构直接在所使用的特定系统内例如汽车上制作。系统运行越长，数据收集就变得越大。这样做的优点是，所储存的数据来自该个性化的系统并相应准确。但是，为此，也可以在准备阶段为示例性燃料电池系统测量或计算数据并作为现成的列表储存在系统内。

此外，有利地观测可用的蓄能器的充电状态。例如，可以在蓄电池组水平比较低时，降低断开-极限效率和/或接通-运行负载值。

在依据本发明方法的另一有利实施例中，断开-极限效率和/或接通-运行负载值根据耗电器的状态而改变。因此，用于燃料电池的两个开关阈值不仅可以在燃料电池系统的内部进行适配，而且可选地或附加地受到燃料电池系统外部的影响。此方面的例子是耗电器本身相应的运行状态，从而能相应迅速地对耗电器的变化做出反应，以便，除了确定效率外，在最佳时刻实现燃料电池的接通或断开。

此外，在依据本发明的方法的另一非常有利实施例中提出，耗电器实施为电动机，其中，断开-极限效率和/或接通-运行负载值根据电动机所驱动的系统的状态而改变。不仅本身作为耗电器的电动机，而且附加地或甚至可选地，由该电动机所驱动的系统的参数也可以用于影响用于燃料电池的两个开关阈值。由此可以非常早和有效地达到对燃料电池的未来要求的识别，例如在汽车中通过评估其汽车控制器。因此除了用于效率优化，同时还可以实施启动/停止系统，该系统相对早地识别燃料电池已进入效率较差的范围内并可以断开，例如在汽车的速度降到零的情况下，这典型适用于例如交通灯处的短暂停止。同样可以通过相应降低接通-运行负载值来非常早地对启动做出反应，特别是如例如通过例如松开汽车的制动踏板和/或操作汽车的加速踏板。依据本发明的方法因此可以理想的方式通过公知的启动/停止系统来实施或被扩展成那种系统/方法。

优选地，通过将燃料电池与系统其余部分电分离来关闭燃料电池。为此，例如可以使用具有电容器的金氧半场效晶体管(MOSFET)开关形式的执行单元。当然也可以使用其他任何类型的电开关。

在另一种优选的实施例中，在断开燃料电池时，也断开附件。这例如也可以通过具有电容器的MOSFET开关或其他任何电开关来进行。如果断开燃料电池与断开附件之间存在时间间隔，则特别有利。

有利地，在高于预先确定的系统-运行负载值时不断开燃料电池。该数值也可以要么为静态的，要么根据各自占主导的系统状态而改变。

有利地在断开燃料电池时耗电器由蓄能装置驱动。为此，开关装置包括分析工具，通过该分析工具利用传感器信息可以检测燃料电池是否在运行。蓄能装置可以是所有适用于蓄积电能的装置，特别是（铅）蓄电池组。

在依据本发明的方法的另一有利实施例中，在断开燃料电池时减少或断开向燃料电池的空气供给。这种空气供给是巨大的辅助耗电器，因而通过断开或减少由这种空气供给所产生的体积流，可在节能方面产生巨大效果。此外明显减少噪声的发出。根据这种空气供给输送装置的类型，在此例中合适的是，将其完全断开或仅仅减少。特别是在使用透平压缩机

——在运行期间以50000转/分钟以上数量级的非常高的转速工作——时，为降低能耗和噪音，仅在功率（Leistung）上降低转速是肯定合理的。但从零转速范围重新启动非常耗费，因而降到约10-12000转/分钟上是理想的，以便一方面确保迅速重新启动燃料电池和另一方面确保节能。

此外，在另一非常有利的实施例中提出，燃料电池系统包括利用阳极再循环输送装置绕燃料电池阳极再循环阳极废气，其中在断开燃料电池时保持或减少通过阳极再循环输送装置所输送的体积流，但不断开。

因为用氢或用可与之对比的适合于在燃料电池内发电的气体供给燃料电池典型地比较复杂，所以在短暂断开燃料电池时完全断开阳极再循环输送装置意义不大。可以仅断开氢的输送。如果使气体在再循环输送装置内继续典型地以降低的体积流运动，那么只要一达到接通-运行负载值，就可以非常迅速和有效地重新启动燃料电池，这是因为至少最低量的氢存在于阳极的整个区域内并可以与然后重新输送在阴极端上的空气一起立刻转换成电。

最后，本发明涉及所述方法在汽车上的应用以及用于使燃料电池系统运行的装置。

附图说明

下面借助附图对本发明几个示例实施方式进行详细说明。其中：

图1示出燃料电池系统的一种优选结构的方块图；

图2示出燃料电池效率趋势和燃料电池系统效率趋势的曲线图；

图3示出用于说明依据本发明的方法的优选实施方式的流程图；以及

图4示出装备有燃料电池系统的汽车的概略图。

具体实施方式

图1以方块图的形式示出燃料电池系统的一种优选结构，其组成部分是燃料电池11、附件12以及用于电接通和断开燃料电池11的燃料电池执行单元16和用于接通和断开附件12并因此尤其也用于接通和断开燃料电池11的附件执行单元17。此外，示意性示出由燃料电池所产生的燃料电池电流13、由燃料电池系统所提供的净电流14和由附件12所消耗的电流15。

燃料电池系统的所有组成部分在此实施例中均例如通过电线电连接。燃料电池执行单元16连接在燃料电池与燃料电池系统的其他组成部分之间，从而它可以将燃料电池11与其余系统分离。附件执行单元17连接在附件与燃料电池系统的其他组成部分之间，从而它可以将附件12与其余系统分离。无论是燃料电池执行单元16还是附件执行单元17都可以通过具有电容器的MOSFET开关或其他任意的电开关实现。

可以看出，净电流14是由燃料电池所产生的燃料电池电流13和由附件12所消耗的电流15之间的差值。

图2以曲线图的形式示出燃料电池效率曲线22以及燃料电池系统效率曲线21。在此例中，曲线图的x轴表示由燃料电池11所提供的电流。曲线图的y轴表示各自的效率。此外示出断开极限效率23。可以看出，通过燃料电池11所提供的电流越小，燃料电池系统效率21就越低。这一点通过附件12能量消耗的增加部分得到解释。在负载非常小的情况下，甚至会出现燃料电池系统效率21降到0%以下。

图3的流程图示出用于使燃料电池系统运行的方法的一种优选的实施方式。该流程图从起点31开始。接着在方框32内分析燃料电池11是否接通。如果燃料电池接通，接着在方框36内测量燃料电池系统的效率。在接着的方框38内分析燃料电池系统的效率是否大于断开-极限值。如果是，那么在后面的方框33内测量运行负载。随后在后面的方框39内分析运行负载是否小于系统运行负载值。如果是，那么在随后的方框37内断开燃料电池11。如果在方框39内的分析得出，运行负载大于系统运行负载值，那么直接紧跟方法流程的终点40。如果方框38内的分析得出燃料电池系统的效率小于断开极限值，同样直接紧跟方法流程的终点40。如果方框32内的分析得出燃料电池11未接通，就在方框33内测量运行负载。随后在方框34内分析运行负载是否大于系统运行负载值。如果是，就在方框35内接通燃料电池11。接着在方框36内测量燃料电池系统的效率。否则，再次紧跟方法流程的终点40。重复使用这种方法流程。

在图4的图示中，可以示例性的看出概略示出的车辆/汽车100，该汽车装备有燃料电池系统50。除了燃料电池系统50外，汽车100还具有电驱动系统70，该电驱动系统通过电动机71驱动汽车100的传动轴（angetriebene Achse）101。除了电动机71外，电驱动系统70此外包括蓄能装置72例如锂离子蓄电池组以及由示例性示出的耗电器73所表示的必要时的其他耗电器。汽车100由汽车控制器102以本身公知的方式进行控制，因此该汽车控制器仅原理性地示出，未示出与汽车100的联接。

燃料电池11以本身公知的方式由阳极区51和阴极区52组成。它通过特别地同时包括燃料电池执行单元16和附件执行单元17的执行单元53与电驱动系统70电连接。从特别是可以作为压缩气体储存器构成的氢储存器54向燃料电池11的阳极区51输送氢。从燃料电池11的阳极区51流出的氢在循环回路中通过再循环输送装置55，与来自氢储存器54的新鲜氢混合、输回到阳极区51。此外设置本身公知的排放阀56，以便不时地以本身公知的方式排出积聚在阳极循环回路内的惰性气体和/或水。

通过作为氧提供装置的空气输送装置57向阴极区52供给空气。来自阴极区52的废气直接——或通过这里未示出的附加燃烧器——进入涡轮机58和此后再排到外界。废气内剩余的热能和/或压能通过涡轮机58至少部分回收。涡轮机58可与空气输送装置57以及可选的电机59共同形成所谓的电动涡轮增压器（ETC）。电动涡轮增压器将废气内的剩余能量用于驱动空气输送装置57并可以在需要通过电机59在电动运行期间提供附加的驱动能。如果废气区域内存在的能量如此之大以致使涡轮机58所提供的能量多于空气输送装置57所需要的能量，那么电机59此外可以在发电机运行期间由涡轮机58驱动，以便额外产生电流。

此时，在这里所示的燃料电池系统50中如上所述地进行燃料电池11的断开。此外可以附加地提出，通过耗电器——这里特别是电动机71——的状态量以及来自汽车控制器102的变量相应影响断开极限效率23和接通运行负载值。最终，这意味着，上述功能在燃料电池11的汽车应用中可扩展为具有启动/停止系统。如果汽车100例如红灯时短暂停车或进入不需要驱动能的运行状况例如下坡，那么这一点可以借助汽车控制器102和/或电动机71的状态量检测，即评估是以电动机工作还是以发电机运行。然后可以通过增加断开极限效率23相应加快燃料电池系统的断开，从而使燃料电池系统50可以更加非常较快速地转换到待命模式。在这种模式中节省能量并明显降低排放和噪声。特别是为此空气输送装置57的转速可以明显降低。在使用所介绍的电动涡轮增压器时，全部断开通常不适用，因为重新启动花费比较多的时间。因此典型的是，与高于50 000转/分钟的标准转速相比，优选数量级为10-12 000转/分钟的降低转速。为不必利用所需的剩余空气通流阴极区52，此外可以设置可选的系统旁通阀60，通过该旁通阀获得在进入阴极区的输入管道和从同一阴极区的输出管道之间的短路。

附加地，停止从氢储存器54的氢供给，因为燃料电池11内如果其断电则无需额外的氢。但是，为保持氢在整个阳极区51内的均匀分布，再循环输送装置55典型地以降低的转速继续运转并当排放阀56闭合和在这种状态下也强制保持闭合的情况下在阳极循环回路中循环阳极废气。在系统重新启动时，例如在等灯后启动时，然后所需的能量首先由蓄能装置72提供，直至燃料电池从待命模式重新切换回到常规运行模式。自然，燃料电池的效率监测继续凌驾在所有这一切上，使得在其由于效率显得不适用的情况下，燃料电池11不接通。

附图标记列表

Claims (14)

1.用于使向至少一个耗电器（71、73）供给电功率的燃料电池系统（50）运行的方法，所述燃料电池系统（50）包括至少一个燃料电池（11）以及用于供给燃料电池（11）的至少一个附件（12、57），其特征在于，确定燃料电池系统（50）的效率（21）并在燃料电池系统（50）的效率（21）低于断开-极限效率（23）的情况下短暂断开燃料电池（11）。

2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，在超过接通-运行负载值的情况下重新接通燃料电池（11）。

3.按权利要求1-2之一所述的方法，其特征在于，断开-极限效率（23）和/或接通-运行负载值根据系统状态改变。

4.按权利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，断开-极限效率（23）和/或接通-运行负载值根据耗电器（71、73）的状态改变。

5.按权利要求1-4之一所述的方法，其特征在于，耗电器作为电动机（71）构成，其中，断开-极限效率（23）和/或接通-运行负载值根据由电动机（71）所驱动的系统（100）的状态改变。

6.按权利要求1-5之一所述的方法，其特征在于，燃料电池（11）的断开通过将燃料电池（11）与系统其余部分电分离来进行。

7.按权利要求1-6之一所述的方法，其特征在于，在断开燃料电池（11）时断开附件（12）。

8.按权利要求7所述的方法，其特征在于，断开燃料电池（11）与断开附件（12）之间存在时间间隔。

9.按权利要求1-8之一所述的方法，其特征在于，在断开燃料电池（11）时减少或断开向燃料电池（11）的空气供给。

10.按权利要求1-9之一所述的方法，其特征在于，燃料电池系统（50）包括利用阳极再循环输送装置（55）绕燃料电池（11）阳极再循环阳极废气，其中，在断开燃料电池（11）时保持或减少通过阳极再循环输送装置（55）所输送的体积流，但不断开。

11.按权利要求1-10之一所述的方法，其特征在于，高于系统-运行负载值时不断开燃料电池（11）。

12.按权利要求1-11之一所述的方法，其特征在于，在断开燃料电池（11）的情况下耗电器（71、73）通过蓄能装置（72）运行。

13.按权利要求1-12之一所述的方法在汽车（100）上的应用。

14.用于使向至少一个耗电器（71、73）供给电功率的燃料电池系统（50）运行的装置，燃料电池系统（50）包括至少一个燃料电池（11）、用于供给燃料电池（11）的至少一个附件（12、75），其特征在于，具有用于确定燃料电池系统（50）的效率（21）的分析工具，该分析工具与执行单元（16、17）共同作用，在所测定的燃料电池系统（50）的效率（21）低于断开-极限效率（23）的情况下，使燃料电池（11）借助作用于附件（12、57）和/或燃料电池（11）的执行单元（53、16、17）断开。

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