CN105336970A - 燃料电池系统和用于控制该燃料电池系统的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了燃料电池系统和用于该燃料电池系统的方法。该方法包括迅速增加感应电动机的旋转磁场的角速度以最大化感应电动机的铁损耗，从而导致燃料电池的温度增加。该方法还包括使用扭矩消除器消除通过旋转磁场的角速度的增加而产生的驱动电动机的扭矩。扭矩消除器包括P档减速器或液压制动器。

Description

燃料电池系统和用于控制该燃料电池系统的方法

技术领域

本发明涉及燃料电池系统及用于控制该燃料电池系统的方法，更具体而言涉及在冷启动条件下迅速增加燃料电池堆的温度的燃料电池系统和用于控制该燃料电池系统的方法。

背景技术

燃料电池车包括堆叠有用作驱动电源的多个燃料电池、配置成将作为燃料工作的氢提供应燃料电池堆的燃料供应系统、配置成供应在燃料电池堆中的电化学反应中的用作氧化剂的空气的空气供应系统、以及配置成调节燃料电池堆的温度的水热管理系统。

燃料供应系统减小存储在氢储罐中的压缩氢的压力，并将压力减小后的氢提供给燃料电池堆的燃料电极(阳极)。空气供应系统还配置成操作鼓风机以将吸入的空气提供给燃料电池堆的空气电极(阴极)。

当将氢和氧分别提供给燃料电池堆的燃料电极和空气电极时，经由催化反应从燃料电极产生氢离子。氢离子经由电解质膜移动到氧化电极(空气电极)，并且在氢离子、电子与氧之间发生电化学反应，因而产生能量。更具体而言，经由燃料电极中的氢的电化学氧化反应而发生氧化反应，并且经由空气反应中的氧的电化学反应而发生还原反应。此外，所产生的离子移动，因而产生电和热。在该过程中，经由使氢与氧结合的化学反应而产生蒸汽和水。

排放设备被安装来排放副产品诸如在燃料电池堆产生电能时所产生的热、蒸汽和水，以及残余物诸如氢和氧。经通风管释放气体诸如蒸汽、氢和氧。由电流指令生成器发出的电流指令输出到电流控制器(未示出)。电流控制器配置成生成d轴电压指令和q轴电压指令，并接着生成三相电压指令。因此，可以经由脉冲宽度调制和三相电流控制来控制电动机。

当燃料电池车停止时，在驱动车辆的期间所产生的一部分水残留在燃料电池堆内。当外部温度相当低(例如，在预定温度以下)时，残留的水通常冻结并且可能最终变成冰且导致不能启动发动机。存在多种实现冷启动的可靠方法。一种方法包括使用加热器快速地使冷却水暖和，另一种方法包括使用安装在空气供应系统的管道上的加热器来加热空气。

然而，将加热器安装冷启动时布置在鼓风机与加湿器之间的抽吸管道上、以及通过使用从燃料电池堆排放的热空气使围绕燃料电池堆的壳体通风来加热燃料电池堆具有一些缺点。一些缺点的例子是需要额外的加热器来加热燃料电池堆并且燃料电池堆要求结构上的改变。换言之，必需的改变使组成部件的配置和设计复杂化并且增加了制造成本。此外，使用加热器将燃料电池堆加热到所期望的水平要求可观的时间增加。

上述仅旨在帮助理解本发明的背景，并且不旨在意指本发明落入本领域技术人员已知的相关技术的范围内。

发明内容

本发明的目的在于提供可以使用感应电动机(当感应电动机用作驱动电动机时)来迅速增加燃料电池堆的温度的燃料电池系统和用于控制该燃料电池系统的方法。

根据本发明的示例性实施方式，用于控制燃料电池系统的方法可以包括：迅速增加配置成最大化感应电动机的铁损耗的感应电动机的旋转磁场的角速度，这可以导致燃料电池堆的温度增加；以及使用扭矩消除器消除可以通过旋转磁场的角速度增加而产生的驱动电动机的扭矩。扭矩消除器可以包括选自P档减速器和液压制动器中的至少一个。P档减速器指示处于减速器与驻车齿轮(P齿轮)啮合的状态下的减速器。

控制方法可以还包括：确定车辆的变速齿轮是否可以与P齿轮啮合；以及当确定车辆的变速齿轮与P齿轮啮合时，迅速增加旋转磁场的角速度。当变速齿轮未与P齿轮啮合时，可以输出齿轮改变请求信号，以便将变速齿轮换挡到P齿轮。当响应于齿轮改变请求信号而将变速齿轮换挡到P齿轮时，可以增加旋转磁场的角速度。控制方法可以还包括：确定燃料电池车是否处于燃料电池车的外部温度等于或小于预定温度的冷启动环境。当确定燃料电池车处于冷启动环境时，可以执行增加驱动电动机的旋转磁场的角速度。控制方法可以还包括：在增加旋转磁场的角速度之后增加电动机的电流指令值以增加感应电动机的感应电流。

根据本发明的一个方面，燃料电池系统可以包括燃料电池堆、配置成从燃料电池堆接收功率的逆变器、根据从逆变器输出的信号驱动的感应电动机、配置成迅速增加感应电动机的旋转磁场的角速度以最大化可以导致燃料电池堆的温度增加的感应电动机的铁损耗的控制器、以及配置成消除可以由于旋转磁场的角速度增加而产生的感应电动机的扭矩的扭矩消除器。

根据本发明的另一个方面，可以通过增加感应电动机的铁损耗来降低感应电动机的效率从而可以促进燃料电池堆内的电化学反应是可能的，这可以导致燃料电池堆的温度的迅速增加。此外，通过消除由于从感应电动机产生的废热的增加而产生电动机的扭矩来使感应电动机的操作稳定是可能的。

附图说明

本发明的上面和其他目的、特征及其他优点将从以下结合附图的详细描述中更清楚地被理解，其中：

图1是示意性示出根据本发明的一个示例性实施方式的燃料电池系统的示例性框图；

图2是示出用于根据本发明的一个示例性实施方式的燃料电池系统的控制方法的示例性流程图；

图3是示出根据本发明的一个示例性实施方式的旋转磁场的角速度增加、以及根据角速度增加的扭矩和功率损耗的示例性图表；以及

图4是示出根据本发明的一个示例性实施方式的在恒定的旋转磁场的角速度下根据电流指令值的功率损耗的变化的示例性图表。

具体实施方式

本文所使用的术语仅出于描述特定实施方式的目的并且不旨在限制发明。如本文所使用的，除非上下文中清楚地另外指出，单数形式“一个(a)”、“一个(an)”、和“该”也旨在包括复数形式。应当进一步理解的是，当使用在本说明书中时，术语“包括”和/或“包括有”具体指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、元素和/或组成的存在，但不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元素、组成和/或其组合的存在或添加。如本文所使用，术语“和/或”包括一个或多个关联列出项目的任何或全部组合。

尽管示例性实施方式被描述为使用多个单元来执行示例性过程，但是应当理解的是，也可以通过一个或多个模块来执行示例性过程。此外，应当理解的是，术语控制器/控制单元指代包括存储器和处理器的硬件设备。存储器配置成存储模块并且处理器具体地配置成执行所述模块以执行在下面进一步描述的一个或多个过程。

此外，本发明的控制逻辑可以实施为包含由处理器、控制器/控制单元等执行的可执行程序指令的计算机可读介质上的非临时性计算机可读媒介。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、闪盘驱动器、智能卡和光学数据存储设备。计算机可读记录介质还可以分布在网络耦合的计算机系统中，从而例如通过远程信息处理服务器或控制器局域网(CAN)以分布式方式存储并执行计算机可读媒介。

应当理解此处使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似的术语包括，诸如包括运动用途车辆(SUV)、公共汽车、卡车、多种商用车辆的载客汽车的机动车辆，包括各种船和艇的水运工具，航行器等，并且包括混合动力车、电动车辆、内燃车辆、插入式混合电动车辆、氢动力车辆和其它可选的燃料车辆(例如从除了石油以外的资源中获得的燃料)。

除非特别指明或从上下文明显，如本文所用，术语“大约”理解为在本领域中正常容差的范围内，例如在平均值的2个标准偏差内。“大约”可以理解为在规定值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％内。除非上下文另有清楚说明，否则这里所提供的所有数值都由术语“大约”修饰。

本文所公开的本发明的示例性实施方式的具体结构和功能描述仅用于本发明的示例性实施方式的说明性目的。在不偏离本发明的精神和重要特征的情况下可以以许多不同形式实施本发明。因此，仅出于说明性目的公开本发明的示例性实施方式，并且不应解释为限制本发明。

由于可以以许多不同形式不同地修改本发明的示例性实施方式，因此现将详细参考本发明的各种示例性实施方式，它们的具体例子在附图中示出并且在下面描述。尽管将结合其示例性实施方式描述本发明，应当理解的是，本描述不旨在将本发明局限于那些示例性实施方式。相反，本发明旨在不仅涵盖示例性实施方式，还涵盖各种替代方式、变形方式、等同方式。

应当理解的是，尽管这里可以使用术语“第一”、“第二”等来描述各种元件，但这些元件不应被这些术语所限制。这些术语仅用来将一个元件跟另一个元件区分开。例如，在不偏离本发明的教导的情况下，下面所讨论的第一元件可以被称作第二元件。类似地，第二元件也可以被称作第一元件。

应当理解的是，当元件被称为“耦合”或“连接”于另一个元件时，其可以直接耦合或连接于另一个元件或者在其之间可以存在中间元件。相反，应当理解的是，当元件被称为“直接耦合”或“直接连接”于另一个元件时，不存在中间元件。说明元件之间的关系的其他表述诸如“在…之间”、“直接在…之间”、“邻接于”或“直接邻接于”应该以相同方式诠释。

除非另有定义，否则这里所使用的包括技术和科学术语的所有术语具有与由本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同含义。应当进一步理解的是，在常用词典中定义的那些术语应被解释为具有与在相关技术背景以及本公开中的它们含义一致的意思，并且将不以理想化或过度形式化的意义来解释，除非这里明确限定。

在下文中，将参考附图详细描述本发明的示例性实施方式。在所有附图中，相同的参考标记指代相同或相似的部件。

图1是示意性示出根据本发明的一个示例性实施方式的燃料电池系统的示例性框图。根据本发明的一个实施方式的燃料电池系统可以包括燃料电池堆10、配置成从燃料电池堆10接收功率的逆变器20、由从逆变器20输出的信号驱动的感应电动机30、配置成消除可以由于感应电动机30的旋转磁场角速度增加而产生的感应电动机30的扭矩的扭矩消除器40、以及配置成快速增加感应电动机30的旋转磁场的角速度以最大化可以导致燃料电池堆10的温度增加的感应电动机30的铁损耗的控制器50。

感应电动机30可以选自牵引电动机、鼓风机电动机、以及三相交流电流(AC)电动机。感应电动机30的定子可以包括三个线圈，这三个线圈可以接收从可以彼此具有90度相位差的d轴电流指令和q轴电流指令修改的电流指令信号，以调节感应电动机30的旋转速度和扭矩。在燃料电池系统不处于冷启动环境时的正常操作条件下，感应电动机30可以配置成以最大效率操作。感应电动机30可以用作迅速增加燃料电池堆10的操作温度的负载。换言之，当来自感应电动机30的损耗增加时，可以分配从燃料电池堆10获得的功率。感应电动机30的功能可以是将电能转换成用于旋转的机械能。本发明的技术可以增加消耗为热的能量的比例。逆变器20可以包括多个半导体开关设备诸如IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、以及配置成将从燃料电池堆输出的直流电流(DC)转换成由定子的线圈使用的交流电流(AC)的多个二极管。

控制器50可以配置成迅速增加感应电动机30的旋转磁场的角速度，以最大化感应电动机30的铁损耗(磁滞损耗)。图3是示出旋转磁场的角速度的增加以及根据角速度的所产生的扭矩和功率损耗的变化的示例性图表。如图3所示，随着旋转磁场的角速度的增加，感应电动机30的铁损耗增加并且感应电动机30的扭矩减小。这可以局限于当停止感应电动机并且施加预定扭矩指令时。换言之，感应电动机30的旋转磁场的角速度、所产生的扭矩和铁损耗彼此相关。此外，感应电动机30的铁损耗与来自电动机的废热成正比。铁损耗可以是归因于感应电动机30的损耗并且其可以是磁滞损耗。磁滞损耗是当偶极分子由于磁化力的变化而移动时作为摩擦热消耗的能量。换言之，当旋转磁场的角速度增加时，为了增加磁化力，铁损耗也增加。因此，控制器50可以配置成增加旋转磁场的角速度以增加感应电动机30的铁损耗。可以由于旋转磁场的速度的增加而产生的扭矩可以被扭矩消除器40消除。扭矩消除器40可以是P档减速器或液压制动器，但不限于此。

当扭矩消除器40是P档减速器时，控制器50可以配置成确定变速齿轮是否啮合到驻车齿轮(P齿轮)。响应于确定变速齿轮未啮合到P齿轮，控制器50可以配置成在将变速齿轮换挡以啮合P齿轮之后增加旋转磁场的速度。此外，控制器50可以配置成确定燃料电池车是否可以处于燃料电池车的当前外部温度低于预定温度的冷启动环境。当确定条件是冷启动环境时，可以不必要增加感应电动机30的铁损耗。

图2是示出根据本发明的一个示例性实施方式的用于控制燃料电池系统的方法的示例性流程图。用于控制燃料电池系统的方法可以包括：当打开点火钥匙时(步骤S201)，通过控制器确定燃料电池车是否处于冷启动环境(步骤S203)。当处于冷启动环境时，可以作为扭矩消除器40操作的P档减速器可以配置成确定变速齿轮是否当前啮合到P齿轮(步骤S205)。扭矩消除器40可以通过控制器50执行。当变速齿轮未啮合到P齿轮时，控制器50可以配置成输出齿轮改变请求信号(步骤S207)并且确定变速齿轮是否换挡到P齿轮(步骤S209)。当变速齿轮保持啮合到或换挡到P齿轮时，控制器50可以配置成增加感应电动机30的旋转磁场的角速度(步骤S211)。当旋转磁场的增加的速度达到预定速度时，控制器50可以配置成增加要输出到感应电动机30的电流指令的值，以便以基本恒定的旋转磁场的速度增加感应电动机30的感应电流。

图4是示出根据在恒定的旋转磁场的速度下电流指令的变化的铁损耗波动的示例性图表。如图4所示，当在旋转磁场的角速度为约30000rpm时电流指令值增加时，感应电动机30的扭矩指令和铁损耗值均增加。

此外，控制器50可以配置成指示扭矩消除器40消除通过旋转磁场的速度增加而产生的扭矩。所产生的扭矩与来自感应电动机30的废热之间可以存在关系。此外，通过使用扭矩消除器消除所产生的扭矩可以增加燃料电池堆10的负载是可能的。因此，可以减小冷启动燃料电池车所要求的时间是可能的。

尽管出于示例性目的已经参考附图所示的示例性实施方式描述了本发明，但是本领域技术人员应当理解的是，在不偏离本发明的范围和实质的情况下，各种修改和等效实施方式是可能的。因此，本发明的实质技术保护范围将由所附的权利要求定义。

Claims (20)

1.一种用于控制燃料电池系统的操作的方法，包括：

通过控制器增加感应电动机的旋转磁场的角速度，以最大化所述感应电动机的铁损耗，从而增加燃料电池堆的温度；以及

通过所述控制器使用扭矩消除器，消除驱动电动机的由于所述角速度的增加而产生的扭矩。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述扭矩消除器包括驻车档减速器或液压制动器。

3.根据权利要求2所述的方法，还包括：

通过所述控制器确定车辆的变速齿轮是否啮合到驻车齿轮；以及

当所述变速齿轮啮合到所述驻车齿轮时，通过所述控制器增加所述旋转磁场的角速度。

4.根据权利要求3所述的方法，还包括：

当所述变速齿轮未啮合到所述驻车齿轮时，通过所述控制器输出齿轮改变请求信号，以便将所述变速齿轮换挡到所述驻车齿轮。

5.根据权利要求4所述的方法，还包括：

当所述变速齿轮响应于所述齿轮改变请求信号而换挡到所述驻车齿轮时，通过所述控制器增加所述旋转磁场的所述角速度。

6.根据权利要求1所述的方法，还包括：

通过所述控制器确定燃料电池车是否处于燃料电池车的外部温度等于或小于预定温度的冷启动环境；以及

响应于确定所述燃料电池车处于所述冷启动环境，通过所述控制器增加所述角速度。

7.根据权利要求1所述的方法，还包括：

在增加所述旋转磁场的所述角速度之后，通过所述控制器增加所述电动机的电流指令的值，以便增加所述感应电动机的感应电流。

8.一种燃料电池系统，包括：

燃料电池堆；

逆变器，其配置成从所述燃料电池堆接收功率；

感应电动机，其由从所述逆变器输出的信号驱动；

控制器，其配置成：

迅速增加所述感应电动机的旋转磁场的角速度，以最大化所述感应电动机的铁损耗并且增加所述燃料电池堆的温度；以及

使用扭矩消除器来消除由于所述旋转磁场的所述角速度的增加而增加的所述感应电动机的扭矩。

9.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其中，所述扭矩消除器包括驻车档减速器或液压制动器。

10.根据权利要求9所述的燃料电池系统，其中，所述控制器还配置成：

确定车辆的变速齿轮是否啮合到驻车齿轮；以及

当所述变速齿轮啮合到所述驻车齿轮时，增加所述旋转磁场的所述角速度。

11.根据权利要求10所述的燃料电池系统，其中，所述控制器还配置成：

当所述变速齿轮未啮合到所述驻车齿轮时，输出将所述变速齿轮换挡以啮合所述驻车齿轮的齿轮改变请求。

12.根据权利要求11所述的燃料电池系统，其中，所述控制器还配置成：

当所述变速齿轮响应于所述齿轮改变请求而换挡到所述驻车齿轮时，增加所述旋转磁场的所述角速度。

13.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其中，所述控制器还配置成：

确定燃料电池车是否处于燃料电池车的外部温度等于或小于预定温度的冷启动环境；以及

响应于确定所述燃料电池车处于冷启动环境而增加所述角速度。

14.根据权利要求8所述的燃料电池系统，其中，所述控制器还配置成：

在增加所述旋转磁场的所述角速度之后，增加所述电动机的电流指令的值，以增加所述感应电动机的感应电流。

15.一种包括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：

迅速增加感应电动机的旋转磁场的角速度以最大化所述感应电动机的铁损耗并且增加燃料电池堆的温度的程序指令；以及

使用扭矩消除器消除由于所述旋转磁场的所述角速度增加而增加的所述感应电动机的扭矩的程序指令。

16.根据权利要求15所述的非暂时性计算机可读介质，还包括：

确定车辆的变速齿轮是否啮合到驻车齿轮的程序指令；以及

当所述变速齿轮啮合到所述驻车齿轮时增加所述旋转磁场的所述角速度的程序指令。

17.根据权利要求16所述的非暂时性计算机可读介质，还包括：

当所述变速齿轮未啮合到所述驻车齿轮时输出将所述变速齿轮换挡到所述驻车齿轮的齿轮改变请求信号的程序指令。

18.根据权利要求17所述的非暂时性计算机可读介质，还包括：

当所述变速齿轮响应于所述齿轮改变请求信号而换挡到所述驻车齿轮时增加所述旋转磁场的所述角速度的程序指令。

19.根据权利要求15所述的非暂时性计算机可读介质，还包括：

确定燃料电池车是否处于燃料电池车的外部温度等于或小于预定温度的冷启动环境的程序指令；以及

响应于确定所述燃料电池车处于冷启动环境而增加所述角速度的程序指令。

20.根据权利要求15所述的非暂时性计算机可读介质，还包括：

在增加所述旋转磁场的所述角速度之后，增加所述电动机的电流指令的值以增加所述感应电动机的感应电流的程序指令。