CN105810975B - 用于控制燃料电池系统冷起动的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于控制燃料电池系统的冷起动的设备和方法，该设备和方法能够使用用于驱动燃料电池系统的电动机的转子的动能储存法来增加燃料电池负载以缩短冷起动时间。该方法通过在车辆停止时对电动机施加电流以消耗燃料电池的输出电流，基于燃料电池输出电流量的增加来实现燃料电池堆的自加热，并在产生电动机转矩的同时限制电动机转矩，从而提高冷起动性能。

Description

用于控制燃料电池系统冷起动的设备和方法

技术领域

本公开涉及用于控制燃料电池系统冷起动的设备和方法。更具体体地，本发明涉及如下的用于控制燃料电池系统冷起动的设备和方法，该设备和方法能够利用用于驱动燃料电池系统的电动机转子的动能存储法增大燃料电池负载，以缩短冷起动时间。

背景技术

在氢燃料电池系统中，冬季期间(例如在极冷的天气期间)的冷起动性能可能难以确保。在现有技术中已经开发出方法用于使用加热器来迅速解冻电池堆内的纯水，对于燃料电池堆使用防冻液体作为冷却水等。

尽管已开发出用于确保冷起动性能的方法，但当燃料电池系统置于较低温环境中(诸如零下温度)时，装备在燃料电池系统中的燃料电池堆的温度降到零下，由此导致燃料电池堆可能被冻住。为迅速提高燃料电池系统冷起动期间的电池堆温度，燃料电池堆输出大量电流以利用由电池堆的独特化学反应所产生的热量是有效的。因此，已经开发出通过在冷起动期间最大程度地利用装备在车辆内的各种负载以输出电池堆的输出电流的方法，并且已将电动机用作加热元件用以提高电池堆的电流负载。

换言之，已经开发出通过使用驱动电动机的相电阻加热作为电池堆的电流负载(但执行用以中断电动机转矩产生的控制以便不会阻碍电动机驱动)，将电动机和逆变器的热量传递到电池堆从而有助于增加电池堆的温度的技术。因此，已经提出了用于增强燃料电池系统冷起动的各种技术，但却不断地需要有更有效的方法。

在此部分公开的上述信息仅用于增强对本发明背景的理解，因此其可能含有不构成该国本领域中普通技术人员已经知晓的现有技术的信息。

发明内容

本发明提供了用于控制燃料电池系统的冷起动的设备和方法，其通过在车辆停止时对电动机施加电流以消耗燃料电池的输出电流，基于燃料电池输出电流量的增加来实现燃料电池堆的自加热，并在产生电动机转矩的同时限制电动机转矩，从而提高冷起动性能。

一方面，本发明提供了用于控制燃料电池系统的冷起动的设备，其可包括：配置为在燃料电池系统的冷起动状态期间对电动机施加电流的燃料电池；以及配置为限制当电动机的转子基于电流的施加而正向和反向旋转时所产生的转矩的转矩限制部件，其中在冷起动状态期间燃料电池的输出电流消耗可以因在电动机中消耗的功率而增加。此外，转矩限制部件可以采用与从电动机的转子延伸到驱动轮的输出轴限制性地紧固在一起的减速器的驻车(P)档闩锁。转矩限制部件可以是驱动轮的液压制动装置。

另一方面，本发明提供了用于控制燃料电池系统的冷起动的方法，其可包括以下步骤：在燃料电池系统的冷起动状态期间对电动机施加燃料电池的输出电流；通过使电动机的转子基于电流的施加在预定的角度范围内正向和反向地进行角旋转，使燃料电池的输出电流消耗增大；以及限制当电动机的转子进行角旋转时所产生的转矩。

此外，在增大燃料电池的输出电流消耗的步骤中，在电动机的电动机驱动过程中，产生其值是通过将转子的正向(+)旋转速度乘以当转子正向(+)旋转时产生的正(+)转矩而获得的功耗，并且产生其值是通过将转子的反向(-)旋转速度乘以当转子反向(-)旋转时产生的负(-)转矩而获得的功耗。另外，在限制转矩的步骤中，驾驶员可执行换档到P档的步骤，由此将减速器的P档闩锁与从转子延伸到驱动轮的输出轴限制性地紧固在一起。在限制转矩的步骤中，驾驶员可运行驱动轮的液压制动装置以限制经输出轴连接到转子的驱动轮。

通过以上配置，本发明具有以下效果。

第一，通过在冷起动状态期间将电流施加到用于驱动燃料电池系统的电动机，产生转子的角度旋转(angle rotation)和转矩，从而能够通过使转子成为燃料电池负载，使基于转子的动能消耗引起燃料电池的输出电流量增加，并且通过基于燃料电池的输出电流量实现燃料电池堆的自加热，使冷起动时间缩短。

第二，通过由转矩限制装置(例如，减速器的P档闩锁和驱动轮的液压制动装置)限制电动机的转子转矩，能够防止电动机在冷起动结束之前用于实际驱动的电动机驱动(motoring)。

第三，由于电动机的转子可以以预定角度正向和反向地旋转而产生转矩，所以可以一致地使用逆变器(配置为将电流施加到电动机的一类控制器)的多个IGBT当中用于转子的正向和反向控制的IGBT，由此能够防止由于逆变器IGBT中的一些IGBT的密集使用所导致的耐久性劣化。

第四，基于电动机转子旋转所产生的振动和转矩的产生，使燃料电池堆和外围系统的冷却部件振动，从而能够更容易地将因冷却而粘结的各个部件之间的界面分层。

附图说明

现在将参考在附图中图示的示例性实施方式对本发明的以上和其它特征进行详细说明，下文给出的这些实施方式仅仅用于示例说明，因此不是对本发明的限制，其中：

图1为示出根据本发明示例性实施方式的通过使用燃料电池堆的自加热引起燃料电池温度增加的冷起动策略的示例性示意图；

图2为示出根据本发明示例性实施方式的用于控制燃料电池冷起动的设备的示例性配置图；

图3和图4为示出根据本发明示例性实施方式的电动机转子的角度旋转运动和基于角度旋转运动产生转矩的示例性示意图，用于描述控制燃料电池系统冷起动的原理；

图5为示出根据本发明示例性实施方式的用于控制燃料电池系统冷起动的方法的示例性流程图；

图6为示出在根据本发明示例性实施方式在燃料电池系统的冷起动控制期间基于转子运动的功率消耗和恢复过程的示例性曲线图；

图7为示出在根据本发明示例性实施方式在燃料电池系统的冷起动控制期间电动机的转子转矩和消耗的直流电的示例性曲线图；

图8为示出当基于根据现有技术的现有燃料电池系统冷起动控制方法使用逆变器的多个IGBT中的一些IGBT时的逆变器的示例性电路图；且

图9为示出当基于根据本发明示例性实施方式的燃料电池冷起动控制方法可以使用逆变器的多个IGBT时的逆变器的示例性电路图。

在附图中提及的附图标记包括对在以下进一步讨论的下述元件的参考：

10：电动机

12：逆变器

20：转矩限制部件

22：减速器的P档闩锁

30：燃料电池

应当理解，所附的附图并非必然是按比例的，而只是呈现说明本发明的基本原理的各种特征的一定程度的简化表示。本文公开的本发明的具体设计特征，包括例如具体尺寸、方向、位置和形状，将部分取决于特定的既定用途和使用环境。在附图中，附图标记在附图的几张图中通篇指代本发明的相同或等同部件。

具体实施方式

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。

尽管示例性实施方式被描述为利用多个单元来执行示例性处理，但应当理解示例性处理也可以由一个或多个模块完成。此外，应当理解，术语控制器/控制单元指的是包括存储器和处理器的硬件设备。存储器配置为存储模块，并且处理器被具体配置为执行所述模块以进行以下进一步描述的一个或多个处理。

此外，本发明的控制逻辑可以实现为包含由处理器、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暂时性计算机可读介质。计算机可读介质的实例包括但不限于，ROM、RAM、光盘(CD)-ROM、磁带、软盘、快闪驱动器、智能卡和光学数据存储装置。计算机可读记录介质还可以分布在连接网络的计算机系统中，以便，例如通过远程信息处理(telematics)服务器或控制器局域网(CAN)以分布式模式存储和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，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、该(a、an、the)”也意在包括复数形式，除非上下文中另外清楚指明。还应当理解的是，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的任何和所有组合。

除非具体说明或从上下文显而易见，否则本文所用的术语“约”理解为在本领域的正常容许范围内，例如在均值的2个标准差范围内。“约”可以理解为在所述数值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％内。除非另外从上下文清楚得到，本文提供的所有数值都由术语“约”修饰。

现在将在下文中详细地参照本发明的各个示例性实施方式，其实施例在附图中图示，并在下文加以描述。尽管将结合示例性实施方式描述本发明，但应当理解，本说明书无意于将本发明局限于这些示例性实施方式。相反，本发明不仅要涵盖这些示例性实施方式，还要涵盖由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、修改、等效形式和其它实施方式。

在下文中，将参照附图详细描述本发明的示例性实施方式。

参考图1，在冷起动状态期间，燃料电池的输出电流可从各种负载(例如，作为控制器的HDC和BPCU、高电压电池、鼓风机、电动机和逆变器等)被消耗，因此可引起电池堆的自加热。因此，在本发明的示例性实施方式中，在冷起动状态期间，燃料电池系统可利用大量的燃料电池输出电流，以引起燃料电池堆的自加热并基于燃料电池自加热而引起的温度升高而缩短冷起动时间。

换言之，本发明示例性实施方式的特征可在于，在冷起动状态期间可将用于燃料电池系统的驱动电动机用作燃料电池负载，并且驱动电动机可消耗从燃料电池堆产生的大量输出电流，从而通过燃料电池堆自加热所引起的燃料电池温度升高而缩短冷起动时间。因此，如图2所示，用于控制燃料电池系统冷起动的设备可包括：配置为在燃料电池系统的冷起动状态期间向电动机10供应电流的燃料电池30，和配置为基于电流的施加，限制当电动机10的转子正向和反向旋转时所产生的转矩的转矩限制部件20。

因此，在燃料电池的冷起动状态期间，通过逆变器12的操作，燃料电池30的输出电流(即直流(DC)电)可施加到电动机10，并且如下所述，当电动机的转子被电动机驱动(例如运转)时，由于功耗，燃料电池输出电流的消耗可增加。当燃料电池堆的温度基于燃料电池输出电流的消耗而增加时，燃料电池的冷起动状态可以被解除，同时冷起动时间可缩短。

同时，转矩限制部件20可配置为通过在电动机10的转子旋转时产生的转矩将冷起动结束之前的电动机驱动引起的实际驱动切断。转矩限制部件20可以是与输出轴限制性地紧固在一起的减速器的P档闩锁22(输出轴从电动机10的转子延伸到驱动轮)，并且可以是配置为使连接到电动机10转子的驱动轮刹车的液压制动装置。转矩限制部件20也可以由处理器操作。

作为参考，可以基于从燃料电池堆产生的输出电流通过驱动电动机来驱动燃料电池系统，基于电动机的驱动将功率输出到减速器，执行适当的减速器换档，并且将换档的功率应用到驱动轮。因此，当使用减速器的P档闩锁22将电动机的输出轴锁定以防止旋转(例如，被固定)时，基于电动机驱动的转矩可被限制到不执行实际驱动的范围。

以下将基于配置描述根据本发明示例性实施方式的用于控制冷起动的方法。首先，将参照图3和图4描述基于电动机转子的角度旋转来储存并恢复动能的原理。

如图3所示，当燃料电池的输出电流(即相电流)被施加到电动机同时保持其大小大体恒定时，电动机10的转子12可配置为在预定角度范围(例如，+20°到-20°或+40°到-40°)内旋转同时振动，以产生如图4所示的转矩。当转子的正向和反向旋转角度在约+20°到-20°的范围内时，则产生的转矩可约为零(0)，当旋转角度等于或大于+20°时，正转矩可增加，并且当旋转角度等于或小于-20°时，可产生负转矩。输出转矩的转子角度范围可基于电动机设计和相电流的大小而改变。

根据转子的转矩产生原理，当转子在例如约+40°到-40°的范围内振动时，产生转矩，使转子在正向(+)和反向(-)上反复地进行角旋转。具体地，电动机的转子可配置为消耗燃料电池的输出电流和输出功率，输出功率由以下等式1表示。

等式1功率＝转矩×转速

因此，如图6所示，在电动机的运转(例如，电动机驱动)期间，可产生其值是通过将转子的正向(+)旋转速度乘以当转子正向(+)旋转时产生的正(+)转矩而获得的功耗，并且可产生其值是通过将转子的反向(-)旋转速度乘以当转子反向(-)旋转时产生的负(-)转矩而获得的功耗。

此外，当在转子的正向(+)旋转期间产生负(-)转矩时，或在转子的反向(-)旋转期间产生正(+)转矩时，基于再生制动的功率就可以恢复。具体地，当电流从逆变器施加到电动机时，可出现定义为基于电动机的铜损失和铁损失的损失总和的功率损失、逆变器的损失等，因此在功率消耗期间可消耗大量能量，并且在功率的恢复期间可以恢复减少量的能量，从而允许电动机在电动机的电动机驱动期间相比于在再生制动期间被用作更大的燃料电池负载。

因此，通过使转子成为燃料电池负载，能够增加基于转子动能消耗的燃料电池输出电流量，并通过在冷起动状态期间将电流施加到用于驱动燃料电池系统的电动机以产生转子的角度旋转和转矩，通过基于燃料电池的输出电流量实现燃料电池堆的自加热，而缩短冷起动时间。

具体地，下面将基于前述电动机转子的角度旋转按照储存并恢复动能的原理来描述根据本发明示例性实施方式的用于控制冷起动的方法。首先，驾驶员可预先操作转矩限制部件20以通过在电动机10的转子旋转时所产生的转矩来切断冷起动结束之前电动机驱动所引起的实际驱动。

例如，驾驶员可执行P档换档，以使得减速器的P档闩锁与从转子延伸到驱动轮的输出轴限制性地紧固在一起，从而将电动机的角度旋转限制到在用于驱动的电动机驱动内的角度。或者，驾驶员可操作驱动轮的液压制动装置以限制连接到驱动轮的电动机转子，由此可将转子的角度旋转限制到在用于驱动的电动机驱动内的角度。

进一步地，通过上控制器的冷起动命令，燃料电池的输出电流可施加到电动机，并且基于电流的施加，可在电动机的预定角度范围内(例如，在从约+40°到-40°的范围内)正向和反向地反复进行角度旋转。因此，当电动机转子有角度地反复旋转时，燃料电池的输出电流消耗可持续增加。换言之，如上所述，当电流从逆变器施加到电动机时，可出现定义为基于电动机的铜损失和铁损失的损失总和的功率损失、逆变器的损失等，因此在基于电动机转子的角度旋转的功率消耗期间可消耗更大量的能量，并且在功率恢复期间可以恢复较少量的能量，从而使得燃料电池的输出电流消耗在基于电动机转子的角度旋转的电动机驱动期间增加。

换言之，如上所述，当燃料电池的输出电流消耗增加时，在电动机的电动机驱动期间，可产生其值是通过将转子的正向(+)旋转速度乘以当转子正向(+)旋转时产生的正(+)转矩而获得的功耗，并且可产生其值是通过将转子的反向(-)旋转速度乘以当转子反向(-)旋转时产生的负(-)转矩而获得的功耗。

如图7所示，当基于储存并恢复转子的动能的原理执行根据本发明示例性实施方式的冷起动控制时，应该理解，从燃料电池供应的直流电消耗相比利用定子的铜损失时进一步地增加。具体地，当冷起动与冷起动状态解除一起结束时，上控制器可配置为解除冷起动的控制并且操作电动机转换到用于初始驱动的驱动模式。

如上所述，基于电动机转子的动能消耗的燃料电池输出电流量可增加，并且可基于燃料电池输出电流量的增加来实现燃料电池堆的自加热，从而大大地缩短冷起动时间。同时，当使用现有的冷起动方法之中的电动机相电阻加热法时，由于仅从逆变器施加恒定电流到电动机，使转子运转到其中转子不产生转矩的角度，因此，如图8所示，使用逆变器的多个IGBT中的一些IGBT，使得逆变器的寿命和耐久性可能劣化，其中逆变器为对电动机施加电流的一类控制器。

此外，根据本发明的示例性实施方式，由于电动机的转子可以以预定的角度正向和反向旋转以产生转矩，所以，如图9所示，可一致地使用逆变器的多个IGBT(包括在正向旋转期间使用的IGBT、在反向旋转期间使用的IGBT等)，因此可以防止逆变器耐久性的劣化。

已参考本发明的示例性实施方式详细描述了本发明。然而，所属领域的技术人员将了解，可在不脱离本发明的原理和精神的情况下在这些示例性实施方式中作出改变，本发明的范围在所附权利要求书及其等效物中限定。

Claims (8)

1.一种用于控制燃料电池系统的冷起动的设备，其包括：

配置为在所述燃料电池系统的冷起动状态期间对电动机施加电流的燃料电池；以及

配置为限制当所述电动机的转子基于电流的施加而在预定的角度范围内正向和反向地进行角旋转时所产生的转矩的转矩限制部件，

其中在冷起动状态期间所述燃料电池的输出电流消耗因在所述电动机中消耗的功率而增加。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述转矩限制部件为与从所述电动机的转子延伸到驱动轮的输出轴限制性地紧固在一起的减速器的驻车P档闩锁。

3.根据权利要求1所述的设备，其中所述转矩限制部件为驱动轮的液压制动装置。

4.一种用于控制燃料电池系统的冷起动的方法，其包括以下步骤：

由控制器在所述燃料电池系统的冷起动状态期间对电动机施加燃料电池的输出电流；

由所述控制器通过使所述电动机的转子基于电流的施加在预定的角度范围内正向和反向地进行角旋转，使所述燃料电池的输出电流消耗增大；以及

由所述控制器限制当所述电动机的转子进行角旋转时所产生的转矩。

5.根据权利要求4所述的方法，其中在增大所述燃料电池的输出电流消耗的步骤中，在所述电动机的运行过程中，产生其值是通过将转子的正向旋转速度乘以当转子正向旋转时产生的正转矩而获得的功耗，并且产生其值是通过将转子的反向旋转速度乘以当转子反向旋转时产生的负转矩而获得的功耗。

6.根据权利要求4所述的方法，其中在限制转矩的步骤中，执行换档到P档的步骤，以将减速器的驻车P档闩锁与从所述转子延伸到驱动轮的输出轴限制性地紧固在一起。

7.根据权利要求4所述的方法，其中在限制转矩的步骤中，运行驱动轮的液压制动装置以限制经输出轴连接到所述转子的所述驱动轮。

8.根据权利要求4所述的方法，其中通过上控制器的冷起动命令对所述电动机施加所述燃料电池的输出电流，并基于电流的施加在所述电动机的预定角度范围内正向和反向地重复执行角度旋转。

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