CN104228599A - 用于燃料电池车的紧急启动的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供用于燃料电池车的紧急启动的系统和方法。具体地，系统中包括高电压变换器、动力平衡装置（BOP）以及控制器。高电压变换器配置成使得其一侧经由电池开关与高电压电池连接，而其另一侧与多个燃料电池并联连接。BOP与高电压变换器和燃料电池并联连接。控制器配置成在高电压变换器或高电压电池发生故障时，通过连接电池开关来控制电力从高电压电池向BOP供应而不进行转换。

Description

用于燃料电池车的紧急启动的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年6月13日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2013-0067698号的优先权和权益，其全部内容并入本文以供参考。

技术领域

本发明大体上涉及用于燃料电池车的紧急启动的系统和方法，即当燃料电池处于非发电状态并且同时高电压电池在正常操作期间发生故障时，燃料电池车进入紧急燃料电池发电模式以便迫使燃料电池代替故障的高电压电池工作。

背景技术

在燃料电池混合动力车中，特别是在使用燃料电池作为主要动力源的系统中，燃料电池应该处于正常发电状态以便确保车辆恰当工作。然而，在一些燃料电池车中，存在须仅使用高电压电池将电力供应到车辆负载的情况（例如在怠速期间，在启动期间，以及紧急电动车（EV）模式操作），在该情况下如果高电压电池未能如设计工作，则车辆不能启动或工作。

此外，当使用高电压电池启动燃料电池车发生故障时，一些系统提供经由将低电压（例如12V）转换成较高电压的功率变换器而工作的紧急启动系统。因此，需要低电压DC-DC变换器（LDC）来将高电压转换成低电压然后以例如12V对电池充电。为应用这种类型的技术，出现如下问题，即必须以双向方式设计LDC以使其可以将低电压转换成高电压并且需要适用于该紧急启动的单独的功率变换装置。因此，必须重新设计车辆中的高电压电路以便适应该系统。

背景技术的上述说明仅旨在提高对本发明背景的理解，但不应该解释为承认上述技术相应于本发明所属技术领域的普通技术人员已知的常规技术。

发明内容

因此，本发明考虑到现有技术中出现的以上问题，并且本发明的目的是提供用于燃料电池车的紧急启动的系统和方法，即当燃料电池处于非发电状态并且同时高电压电池发生故障时，开始紧急燃料电池发电模式以使车辆可仅以燃料电池状态启动和工作。

根据本发明的一方面，提供一种用于燃料电池车的紧急启动的系统，其包括高电压变换器，其配置成使得其一侧经由电池开关与高电压电池连接并且配置成将较高电压转换成较低电压。高电压变换器的另一侧与燃料电池并联连接。此外，动力平衡装置（balance of power，BOP）（例如鼓风机）与高电压变换器和燃料电池并联连接，并且控制器配置成在检测到高电压变换器或高电压电池的故障时，通过连接电池开关来控制从高电压电池向BOP供应而不进行转换的电力。此外，控制器还可配置成与施加于鼓风机的高电压电池的电压成比例地控制鼓风机的RPM。

例如，当高电压变换器或高电压电池在燃料电池的怠速停止期间发生故障时，控制器可保持电池开关的连接，停止高电压变换器的操作，并且释放怠速停止，从而执行控制以使高电压电池的电力供应到BOP而不进行转换。此外，当车辆燃料电池在工作时，控制器可释放电池开关的连接，然后车辆可以仅以燃料电池模式工作，该燃料电池模式不依赖来自高电压电源（例如电池）的电力。

在完成燃料电池的启动之前，控制器可配置成不操作BOP以外的辅助单元。

当高电压变换器或高电压电池在启动期间发生故障时，控制器可经由电池开关保持连接，停止高电压变换器的操作，并且继续启动处理，从而执行控制以使高电压电池的电力仍供应到BOP而不进行转换。

在本发明的一些实施方式中，当高电压变换器如所设计的工作时，控制器可以不停止高电压变换器的操作，并且执行控制以使高电压变换器具有等于燃料电池的开路电压（OCV）的输出电压。

此外，在本发明的一些实施方式中，当高电压变换器或高电压电池在EV模式驾驶期间发生故障时，控制器可保持电池开关的连接，通过执行停止燃料电池发电的处理来消除燃料电池的电压，并且操作BOP。

而且，当高电压电池在EV模式操作期间发生故障时，控制器可经电池开关保持连接，将高电压变换器的输出电压调节为燃料电池的OCV，然后因此操作BOP。

甚至进一步，在本发明的一些示例性实施方式中，当高电压电池的SOC（充电状态）在EV模式操作期间低于预设的最小SOC时，控制器还可配置成经电池开关保持连接，将高电压变换器的输出电压调节为燃料电池的OCV，然后操作BOP。

根据本发明的另一方面，提供了用于燃料电池车的紧急启动的方法，其包括：通过控制器确定高电压变换器或高电压电池是否发生故障；当高电压变换器或高电压电池被确定为发生故障时，连接高电压变换器与高电压电池之间的电池开关；通过控制器停止高电压变换器的操作；以及将电力从高电压电池供应到BOP而不进行转换。

附图说明

结合附图从下面的具体实施方式中将更清楚地理解本发明的上述和其它目的、特征和优点，其中：

图1是示出根据本发明示例性实施方式的用于燃料电池车的紧急启动的系统的配置的图；并且

图2-4是示出根据本发明示例性实施方式的用于燃料电池车的紧急启动的系统和方法的流程图。

具体实施方式

现应参考附图，在整个附图中使用相同的附图标记来指定相同或类似的部件。

应理解，本文使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语包括通常的机动车，例如，包括多功能运动车（SUV）、公共汽车、卡车、各种商务车的客车，包括各种船只和船舶的水运工具，飞行器等等，并且包括混合动力车、电动车、插入式混合电动车、氢动力车、燃料电池车和其它代用燃料车（例如，来源于石油以外的资源的燃料）。如本文所提到的，混合动力车是具有两种或多种动力源的车辆，例如，具有汽油动力和电动力的车辆。

此外，应该理解下面的方法/处理由至少一个控制器执行。术语“控制器”是指包括存储器和处理器的硬件装置，该处理器配置成执行应解释为其算法结构的一个或多个步骤。存储器配置成存储算法步骤并且处理器具体配置为执行所述算法步骤从而执行下面进一步描述的一个或多个处理。

此外，本发明的控制逻辑可实施为含有通过处理器、控制器等执行的可执行程序指令的非暂时性计算机可读介质。计算机可读介质的例子包括但不限于，ROM、RAM、光盘（CD）-ROM、磁带、软盘、优盘、智能卡和光学数据存储装置。还能够在网络耦合的计算机系统中分布计算机可读记录介质，使得例如通过远程信息处理服务器或控制器局域网（CAN）以分散的方式存储并且执行计算机可读介质。

本文使用的术语仅仅是为了说明具体实施方式的目的而不是意在限制本发明。如本文所使用的，单数形式“一个、一种（a、an）”和“该（the）”也意在包括复数形式，除非上下文中清楚指明。还可以理解的是，在说明书中使用的术语“包括（comprises和/或comprising）”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但是不排除存在或添加一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其群组。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任何和所有组合。

下面将参考附图详细描述根据本发明示例性实施方式的用于燃料电池车的紧急启动的系统和方法。

图1是示出根据本发明示例性实施方式的用于燃料电池车的紧急启动的系统的配置的图，并且图2-4是示出根据本发明示例性实施方式的用于燃料电池车的紧急启动的系统和方法的流程图。

根据本发明的用于燃料电池车的紧急启动的系统包括：高电压变换器300，其配置成使得其一侧经由电池开关220与高电压电池200连接，而其另一侧与燃料电池100并联连接。此外，BOP500与高电压变换器300和燃料电池100并联连接，并且控制器400配置成在高电压变换器300或高电压电池200发生故障时，控制电池开关使得通过操作电池开关220可将来自高电压电池200的电力供应到BOP500而不将来自电池的电压转换为较低电压。

图1示出用于燃料电池车的紧急启动的系统的示意性电路图。燃料电池100、高电压变换器300、逆变器、高电压部件以及低电压变换器全部并联连接。此外，高电压电池200连接到高电压变换器300。在启动程序期间，连接高电压电池200（即在主总线端的电压已经通过继电器的操作经由电阻预充电之后连接电池开关220），经由高电压变换器300执行向较高电压（例如接近燃料电池的OCV）的升压，连接燃料电池继电器，并且通过操作BOP增加燃料电池100的电压，从而启动车辆。明显的是电池开关200的连接包括当电池开关220在执行该控制之前已经连接时保持连接。

用于增加燃料电池的电压以发电的BOP500包括鼓风机、氢供应阀、冷却泵等。鼓风机和冷却泵是使用高电压（例如约100V至450V）工作的单元，并且鼓风机应该基本上被操作为增加从燃料电池输出的电压。因此，为执行起动，需要经由电池保持高电压，并且应确保高电压变换器300和高电压电池200的正常操作。

另外，为提高燃料效率并且防止低湿化电池组状态，在驾驶时需要低输出间隔燃料电池怠速停止驾驶，在该情况下燃料电池不发电因为燃料电池的鼓风机已经停止，并且仅高电压电池200在向车辆负载供应电力。

当在燃料电池系统中发生严重问题时，可停止燃料电池的发电并且车辆可以以紧急EV模式运行，在该模式中车辆仅使用高电压电池200运行。即使在这种情况下，为以有限的输出运行车辆，必须确保高电压电池200和高电压变换器300的正常操作。

在需要高电压变换器300和高电压电池200的正常操作的驾驶状态中，当相应的部分发生故障或其操作不可能时，需要使燃料电池系统强制进入紧急模式并仅以燃料电池模式执行操作以便使车辆至少工作到最近的修理厂。

出于这个目的，高电压变换器300配置成使得其一侧经由电池开关220与高电压电池200连接，而其另一侧与燃料电池100并联连接，并且BOP500与高电压变换器300和燃料电池100并联连接。此外，当高电压变换器300或高电压电池200发生故障时，控制器400执行与电池开关220的连接，从而允许电力供应到BOP500而不转换高电压电池200。此外，对于燃料电池的启动必不可少的BOP500的元件可以是鼓风机。

也就是说，当高电压变换器300或高电压电池200发生故障时，连接电池开关以使电池电压可经由L1路径直接与鼓风机连接。取决于燃料电池的发电状态，如果燃料电池的电压高于电池电压则鼓风机可使用燃料电池的电压（L2路径）工作，而如果燃料电池的电压低于电池电压则鼓风机可使用电池电压（L1路径）工作。

在这种情况下，鼓风机执行基于电压的降额（de-rating）控制。也就是说，控制器400可与高电压电池200的电压成比例地控制鼓风机的RPM，以便当施加于鼓风机的电压高于阈值时增加RPM，而当电压低于阈值时降低RPM。

也就是说，为了使燃料电池系统能够发电，取决于燃料电池的发电状态，鼓风机即BOP的基本元件经由高电压电池的电池开关220直接工作，或鼓风机使用燃料电池的输出来工作。在这种情况下，由于鼓风机应在低于正常电压范围（例如在250V至450V的范围内）的电压下工作，因此如果电压低于阈值（例如100V的最低值）则鼓风机的RPM减小到最小值，并且在允许燃料电池启动的电压范围内鼓风机缓慢工作。在这种情况下，即使当高电压电池发生问题时，电池开关保持接通特定的时间。

更具体地，图2示出当燃料电池操作期间车辆“怠速”时发生什么。在这种情况下，当在怠速停止时高电压变换器或高电压电池发生故障时，控制器经由电池开关的操作来保持与操作部件的连接，停止高电压变换器的操作，并且释放怠速停止，从而将电力从高电压电池供应到BOP而不进行电压转换。此外，在完成燃料电池的启动时，控制器释放电池开关的连接并仅以燃料电池模式操作车辆。

同时，控制器可以不操作BOP以外的剩余辅助单元，直到完成燃料电池的启动。此外，当高电压变换器如设计工作时，控制器可控制高电压变换器而不停止其操作以使其具有与燃料电池的开路电压OCV近似的输出电压。

参考图2-4，根据本发明的用于燃料电池车的紧急启动的方法包括：步骤S100，通过控制器确定高电压变换器或高电压电池是否发生故障；步骤S200，当高电压变换器或高电压电池发生故障时，通过控制器连接/操作高电压变换器与高电压电池之间的电池开关；步骤S300，停止高电压变换器的操作；以及步骤S400，将电力从高电压电池供应到BOP而不进行转换。

图2示出怠速停止期间的故障的情况，该情况与当高电压变换器或高电压电池在车辆工作时燃料电池的怠速停止期间发生故障时执行的强制燃料电池紧急启动程序对应。在鼓风机基于电压的降额控制时，使用高电压电池和燃料电池的电压作为操作用动力源，并且在其中最低电压（例如100V）被确保为电池电压的情况下执行操作因为燃料电池的电压根据空气供应量可变。

在重启完成延迟故障条件缓解的情况下，鼓风机以低电压状态（例如低于100V）而非正常启动状态来最低限度地工作，因此可以增加电压上升和稳定时间。因此，通过缓解启动完成条件，可防止启动故障被错误地确定。在缓解启动完成条件的过程中，考虑电池继电器接通的最大允许时间。

在燃料电池的启动完成之后操作用于操作燃料电池的其它辅助BOP相关的单元。直到燃料电池的启动完成，不使用除鼓风机之外的电机和其它辅助高电压单元，以便保存能量。

与前述实施方式不同，当仅电池发生故障时（高电压变换器正常），高电压变换器可以不停止而可以工作。如正常启动期间，可以启动燃料电池，同时将总线端的电压保持在接近燃料电池的OCV的电压处。如此，明显的是电池开关的连接包括当在执行这种控制前电池开关已经连接时保持连接。

同时，图3示出启动期间电池或变换器的故障的情况。当高电压变换器或高电压电池在启动期间发生故障时，控制器保持电池开关的连接，停止高电压变换器的操作，并且继续启动处理，从而执行控制以使高电压电池的电力供应到BOP而不进行其转换。

也就是说，启动期间的情况与用于怠速停止的控制程序类似。因此，启动时已经完全停止发电。当高电压变换器/高电压电池发生故障时，继续执行现有的启动程序，并且在要求鼓风机的操作时通过直接连接高电压电池来操作鼓风机。

由于在燃料电池的怠速停止期间燃料电池的发电没完全停止并且燃料电池处于等待再次发电的状态（例如燃料电池的继电器保持接通，保持氢供应，并且停止鼓风机和其它辅助单元），因此应通过在高电压变换器或高电压电池发生故障之后即刻操作鼓风机来恢复发电。

图4示出EV模式中故障的情况，在该情况中，当高电压变换器或高电压电池在EV模式驾驶期间发生故障时，控制器可保持电池开关的连接，通过执行停止燃料电池发电的处理来去除燃料电池的电压，然后操作BOP（所示值A是在紧急EV模式驾驶期间与低SOC相关的燃料电池重启允许参考值）。

图4是示出当高电压变换器或高电压电池在紧急EV模式驾驶期间发生故障时，或当高电压变换器或高电压电池不发生故障但由于SOC不足而不可以长时间持续紧急EV驾驶时，燃料电池的紧急启动的控制的流程图。

其中高电压变换器或高电压电池在紧急EV模式驾驶期间发生故障的情况与前述启动的情况相同，但在燃料电池的重启之前应确定燃料电池发电的停止。

如果在燃料电池发电的停止未完成时开始燃料电池的重启，则主总线端的高电压部件在连接燃料电池的主继电器时可能损伤，并且电池组由于燃料电池的瞬时电流的增加（氢供应非准备状态）可能损伤。这样的理由在于燃料电池的剩余高电压在主总线端处可能高于电池的电压。明显的是当高电压变换器可以继续工作时，可省略确定发电停止的处理然后可立即执行重启。这样的理由在于总线端的电压通过高电压变换器的电压控制可被致使近似于燃料电池的OCV。

同时，如果高电压变换器正常但高电压电池发生故障，则控制器可在EV模式驾驶期间连接高电压电池的电池开关，执行控制以使高电压变换器的输出电压调节为燃料电池的开路电压OCV，然后操作BOP，从而防止归因于燃料电池剩余电压的损伤。

此外，如果高电压电池的SOC在EV模式驾驶期间低于预设的最小SOC，则控制器可连接电池开关，执行控制以使高电压变换器的输出电压调节为燃料电池的开路电压OCV，然后操作BOP。最小SOC是仅可通过紧急EV驾驶来执行一些紧急驾驶的SOC。如果SOC低于最小SOC，需要通过执行燃料电池的紧急启动来驾驶车辆。因此，在该情况下，通过连接电池开关，执行控制以使高电压变换器的输出电压调节为燃料电池的开路电压OCV，然后操作BOP，可执行燃料电池的紧急启动。此外，在要求鼓风机的操作以便执行启动时，使鼓风机以正常RPM操作。

如果电池的SOC如上所述在紧急EV模式中不足，则重新设定关于燃料电池系统的故障的信息，并且可重启燃料电池。在这种情况下，执行重启的次数增加，并且使用该信息来限制可执行重启的次数。由于这种情况不是高电压变换器或高电压电池发生故障的情况，因此使总线端的电压正常保持在近似于燃料电池的OCV的电压，连接燃料电池的主继电器，并且启动氢/氧供应的正常启动的程序。鼓风机也以启动所需的最佳RPM工作而不进行电压降额。当已经成功地重启燃料电池时，以燃料电池混合动力模式执行驾驶，并且通过对燃料电池充电来补偿不足的SOC，从而实现车辆的操作。

根据用于燃料电池车的紧急启动的上述系统和方法，可防止在操作期间不能关闭和启动车辆，从而增强燃料电池车的驾驶可靠性和安全性。

此外，仅使用控制软件而不需要额外的紧急启动装置或硬件的改进，可确保燃料电池车的驾驶可靠性，并且因此可改进车辆的性能而无需额外的成本。此外，可防止车辆的意外失速（stalling）和无法启动车辆，因此增加驾驶者不适和安全性。

尽管为了示例说明的目的已经公开了本发明的优选实施方式，但是本领域的技术人员应该理解，在不背离权利要求中所公开的本发明的范围和主旨的情况下，可以进行各种修改、添加和替换。

Claims (13)

1.一种用于燃料电池车的紧急启动的系统，包括：

电压变换器，配置成使得其一侧经由电池开关与高电压电池连接，而其剩余一侧与多个燃料电池并联连接；

动力平衡装置（BOP），与所述电压变换器和所述燃料电池并联连接；以及

控制器，配置成在所述电压变换器或高电压电池发生故障时，通过连接所述电池开关来控制电力从所述高电压电池向所述BOP的供应而不进行转换。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述BOP是鼓风机。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述控制器与施加于所述鼓风机的高电压电池的电压成比例地控制所述鼓风机的每分钟转速。

4.根据权利要求1所述的系统，其中当所述电压变换器或高电压电池在所述燃料电池的怠速停止期间发生故障时，所述控制器保持所述电池开关的连接，停止所述电压变换器的操作，并且释放所述怠速停止，从而执行控制以使所述高电压电池的电力供应到所述BOP而不进行转换。

5.根据权利要求4所述的系统，其中当完成所述多个燃料电池的启动时，所述控制器释放所述电池开关的连接并仅以燃料电池模式操作车辆。

6.根据权利要求4所述的系统，其中在完成所述多个燃料电池的启动之前，所述控制器不操作所述BOP以外的任何辅助单元。

7.根据权利要求1所述的系统，其中当所述电压变换器或高电压电池在启动期间发生故障时，所述控制器保持所述电池开关的连接，停止所述高电压变换器的操作，并且继续启动处理，从而执行控制以使所述高电压电池的电力供应到所述BOP而不进行转换。

8.根据权利要求4或7所述的系统，其中当所述电压变换器正常工作并且所述高电压电池发生故障时，所述控制器不停止所述高电压变换器的操作，并且执行控制以使所述电压变换器具有等于所述燃料电池的开路电压（OCV）的输出电压。

9.根据权利要求1所述的系统，其中当所述电压变换器或高电压电池在EV模式操作期间发生故障时，所述控制器保持所述电池开关的连接，通过执行停止所述燃料电池的发电的处理来消除来自所述燃料电池的电压，并且操作所述BOP。

10.根据权利要求1所述的系统，其中当所述高电压电池在EV模式操作期间发生故障时，所述控制器保持所述电池开关的连接，将所述电压变换器的输出电压调节为所述燃料电池的开路电压（OCV），然后操作所述BOP。

11.根据权利要求1所述的系统，其中当所述高电压电池的SOC（充电状态）在EV模式操作期间低于预设的最小SOC时，所述控制器保持所述电池开关的连接，将所述高电压变换器的输出电压调节为所述燃料电池的OCV，然后操作所述BOP。

12.一种用于燃料电池车的紧急启动的系统，包括：

通过控制器确定高电压变换器或高电压电池是否发生故障；

当所述高电压变换器或高电压电池发生故障时，通过所述控制器连接所述高电压变换器与所述高电压电池之间的电池开关；

通过所述控制器停止所述高电压变换器的操作，以及

响应于连接所述电池开关，从所述高电压电池向BOP供应电力而不进行转换。

13.一种包含由控制器执行的程序指令的非暂时性计算机可读介质，所述计算机可读介质包括：

确定高电压变换器或高电压电池是否发生故障的程序指令；

当所述高电压变换器或高电压电池发生故障时连接所述高电压变换器与所述高电压电池之间的电池开关的程序指令；

停止所述高电压变换器的操作的程序指令；以及

响应于连接所述电池开关，控制电力从所述高电压电池向BOP供应而不进行转换的程序指令。