CN106469818B - 用于改善燃料电池系统的电池堆性能的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于改善燃料电池系统的电池堆性能的装置和方法，其中该装置包括：燃料电池控制器，其被配置成操作正常压力燃料电池系统的电池堆，其中燃料电池控制器被配置成当监测电池堆的当前进气压力、当前输出以及外部空气温度的结果确定电池堆的工作状态正常，并且当前进气压力降低时，燃料电池控制器通过调节理论空气比的范围而增加供应到电池堆的空气量，其中理论空气比是电池堆中的空气量与冷却剂温度的理论比。

Description

用于改善燃料电池系统的电池堆性能的装置和方法
技术领域
本发明涉及一种改善燃料电池系统的电池堆性能的装置和方法，更具体涉及以下这种改善燃料电池系统的电池堆性能的装置和方法，其通过改善低温、低压工作条件下的电池堆性能而改善燃料效率。
背景技术
燃料电池系统在正常压力工作条件下的电池堆性能，由于外部环境(例如，外部温度、大气压等)的变化而迅速改变。具体地，当大气压降低时，电池堆性能与大气压的下降成比例地迅速劣化。如现有技术的图1A至图1B所示，利用压缩机的加压燃料电池系统，可通过调节电池堆工作压力而克服电池堆性能的劣化，而无压力控制硬件的正常压力燃料电池系统通过调节流量来调节空气量，因此取决于压力的性能劣化不可避免。
正常压力燃料电池系统的优点在于，由于噪声、不稳定性以及辅助机器的功率消耗较低，因此其效率较高。然而，对工作压力敏感的一部分正常压力燃料电池会导致车辆性能劣化。因此，因海拔增加引起的大气压的下降使电池堆效率下降，并且不利地影响燃料效率，其中大气压下降是车辆各种环境条件中的一种。
用于车辆的燃料电池堆通常需要在各种环境下工作，同时确保性能不劣化。电池堆性能/效率与环境条件中的压力变化成比例地变化。因此，在基于空气的量(例如，质量)来控制电池堆反应的燃料电池系统的电池堆性能易于劣化，该劣化是由高于海平面的海拔增加(即，大气压下降)所引起的。
同时，高海拔条件下的车辆性能的劣化，是具有内燃机的车辆中可见的现象。在内燃机的情况下，可通过高海拔补偿来防止性能的劣化。另外，即使在能够调节气压的燃料电池系统中，仍可通过强制增加电池堆工作压力来调节响应于高海拔的压力补偿。然而，该系统的缺点在于其效率低，并且产生较大噪声。
在该部分中公开的以上信息仅为增强对本发明背景的理解，并且因此其可包含并不形成在该国家中对本领域技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本发明提供一种改善燃料电池系统的电池堆性能的装置和方法，其能够通过基于电池堆工作条件中的冷却剂温度和水平衡，可变地调节系统工作条件中的理论冷却剂空气比，从而防止在工作压力降低时电池堆性能的劣化。
在一方面，本发明提供一种用于改善燃料电池系统的电池堆性能的装置，该装置可包括：燃料电池控制器，其被配置成操作正常压力燃料电池系统的电池堆，其中燃料电池控制器被配置成当监测电池堆的当前进气压力、当前输出以及外部空气温度的结果，确定电池堆的工作状态正常，并且当前进气压力降低时，燃料电池控制器通过调节理论空气比的范围而增加供应到电池堆的空气量，其中理论空气比是电池堆中的空气量与冷却剂温度的理论比。
在一个示例性实施例中，燃料电池控制器可被配置成通过固定理论空气比的上限值，并增加理论空气比的下限值，来减小理论空气比的范围，具体地，燃料电池控制器被配置成通过将理论空气比补偿值加到理论空气比的下限值上，来增大理论空气比的下限值。在另一个示例性实施例中，理论空气比补偿值可以是与电池堆进气压力的下降成比例增加的值，并且可以设置最大补偿值，以基于理论空气比的下限值的增加，来限制供应到电池堆中的空气量的增加。
此外，燃料电池控制器可被配置成在理论空气比的范围改变时降低冷却剂目标温度，以维持电池堆中的水平衡。更具体地，燃料电池控制器可被配置成通过将冷却剂目标温度补偿值加到当前冷却剂目标温度来调节冷却剂目标温度值。冷却剂目标温度补偿值可以为负值，该负值的绝对值可以与当前外部空气温度的下降成比例增加。并且可以设置最大补偿值，以基于当前外部空气温度，来限制电池堆的冷却剂目标温度的下降。
根据本发明的用于改善燃料电池系统的电池堆性能的装置，当正常压力燃料电池系统的电池堆工作压力随着大气压的下降而降低时，可校正和调节理论冷却剂空气比的范围和冷却剂目标温度，以在维持电池堆中的水平衡的限制条件下，增加电池堆中的氧气分压，因此，当车辆在低温、低压条件下的高海拔在上坡路段行进时，通过改善电池堆性能，可以解决电池堆性能的劣化问题，并提高车辆的燃料效率。
附图说明
现在参考在附图中示出的某些示例性的实施方式来详细描述本发明的上述和其它特征，仅仅以示例性的方式给出下文中的附图，因此其不构成对本发明的限制，并且其中：
图1A和图1B示出根据现有技术的正常压力燃料电池系统和加压燃料电池系统的电池堆工作期间气压改变状态的示意图；
图2示出根据本发明示例性实施例的改善燃料电池系统的电池堆性能的方法的示意性流程图；以及
图3A和图3B示出理论冷却剂-空气比补偿值(偏移)和冷却剂目标温度补偿值的示意性曲线图，其中该补偿值用于补偿根据本发明示例性实施例的改善电池堆性能的方法的低温和低压高海拔条件。
应当理解的是，附图不必按比例绘制，而是呈现出说明本发明基本原理的各种优选特征的简化表示。本文中所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，这些特征将部分地由预期的特定应用和使用环境来确定。
具体实施方式
可以理解的是，本文中所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似的术语包括一般而言的机动车辆，比如包含运动型多用途车辆(SUV)、公共汽车、货车，各种商用车辆的客车、包含各种轮船和舰船的船只、飞行器等等，并且包括混合动力车辆、电动汽车、混合动力电动汽车、氢动力汽车和其它替代燃料汽车(例如，从除了石油以外的资源中取得的燃料)。如在本文中所引用的，混合动力车辆是具有两种或多种动力来源的车辆，例如汽油动力车辆和电动动力车辆二者。
尽管示例性实施例被描述为使用多个单元来执行示例性过程，然而可以理解的是，该示例性过程还可以由一个或多个模块来执行。另外，可以理解的是，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。存储器被配置成存储模块，处理器被专门配置成执行上述模块，从而执行一个或多个过程，下面进一步详述。
本文所用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并非旨在限制本发明。除非上下文明确指出，否则如本文中所使用的单数形式“一”、“一个”和“该”等意图也包括复数形式。还应该理解的是，在本说明书中使用“包括”和/或“包含”等术语时，是意图说明存在该特征、整数、步骤、操作、元素和/或组件，而不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元素、组件、和/或其组合的存在或增加。如本文中所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关列出项目的任何和所有组合。
下面详细参考本发明的各种实施方式，本发明的实施例在附图中被图解并且在下面被描述。尽管本发明将结合示范性实施例被描述，然而可以理解的是，本描述并不意在将本发明限制到那些示范性实施例上。相反地，本发明意在不仅仅覆盖示范性实施例，而且覆盖各种可选形式、变型、等价形式和其它实施例，其可被包含在由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围中。
在下文，将对本发明进行详细描述，使得本发明所属技术领域的技术人员可容易地执行本发明。
参考现有技术的图1A至图1B，众所周知，通过使用空气压缩机进行压力控制来恒定地保持压力(例如，电池堆中的工作压力)，即使大气压下降，也能通过强制增加进气压力进行控制的加压燃料电池系统，仍可维持电池堆中的氧气分压，但加压的燃料电池系统的缺点在于：辅助机器的能量消耗增加，出现噪声，并且使用高价压缩机。此外，正常压力燃料电池系统不能调节进气压力，但由于辅助机器的能量消耗较低，因而具有较高的系统效率，并且在噪声、成本和驾驶性能方面具有优点。
因此，为了防止由于燃料电池系统的进气压力下降而引起电池堆性能劣化，特别是为了防止由于通过调节空气流量来调节工作压力的正常压力燃料电池系统的进气压力下降而引起的电池堆性能劣化，本发明通过在大气压(例如，外部气压)下降时，额外地向电池堆供应空气，来防止电池堆性能劣化。
在通过调节空气流量来调节工作压力的正常压力燃料电池系统，增加被供应到电池堆的空气流量来补偿大气压(例如，氧气分压增加)时，会出现干燥现象，在干燥现象中，电池堆会变得干燥，因此，其性能迅速劣化。因此，为了防止即使在大气压下降时额外向电池堆供应空气的情况下，电池堆会变干燥的干燥现象，本发明可变地调节冷却剂目标温度(例如，用于激活电池堆的冷却剂工作温度)，以便在维持电池堆中水平衡的限制条件下，增加电池堆中的氧气分压。
通常，电池堆温度可表示为电池堆中的冷却剂温度，并且在与电池堆性能相关联的因素中，相对湿度(RH，％)与冷却剂温度直接相关。在通过降低冷却剂温度强制增加相对湿度的情况下，可将空气额外地供应到电池堆，因此，与处于低海拔相比，可防止在低温低压条件下的高海拔处的电池堆性能劣化，并且提高效率。
换言之，当在大气压下降时通过向电池堆额外地供应空气来补偿大气压时，本发明基于电池堆工作条件中的冷却剂温度和水平衡，可变地调节系统工作条件中的理论冷却剂-空气比(例如，电池堆中的冷却剂温度与空气量之间的理论比，在下文，该理论比被称为“理论空气比”)，以便在工作压力因大气压下降而降低时改善电池堆性能。理论空气比(例如，大约2.4)可基于电池堆中的冷却剂温度和空气量，事先确定并设置成在预定范围内的值(例如，从下限值到上限值，例如，大约2.0～2.8)，该值可维持电池堆的正常工作状态和正常水平衡。
图2是示出根据本发明示例性实施例的改善正常压力燃料电池系统电池堆性能的方法的示意性流程图，图3A和图3B是示出用于补偿低温和低压高海拔条件的理论空气比补偿值(偏移)和冷却剂目标温度补偿值的示意性曲线图。
参考图2，燃料电池控制器可被配置成操作正常压力燃料电池系统的电池堆，并且燃料电池控制器可被配置成当其在车辆运行(即，电池堆工作)期间，识别出燃料电池堆的工作压力保持在低于正常压力水平(或者低于被设置成用于确定电池堆是否处于正常状态的临界值)保持预定时间段(例如，被设置成用于确定当前状态不是临时状态的预定时间段)时，燃料电池控制器监测当前的电池堆输出、当前的外部空气温度、当前的进气压力，并且检测电池堆状态，其中当前进气压力是实际(当前)供应给电池堆的空气压力。
尽管图中未示出，然而，当前的进气压力可由车辆燃料电池系统中的空气供应系统的进气压力测量单元(例如，传感器)进行监测，并且当前的外部空气温度可由燃料电池车辆的外部空气温度测量单元(例如，传感器)进行监测。压力测量单元和外部空气温度测量单元可被配置成将检测到的信号实时传送到燃料电池控制器。
燃料电池控制器可被配置成将监测到的当前电池堆输出、当前进气压力值以及当前外部空气温度值与参考输出值、参考压力值以及参考温度值进行比较，因此，在当前电池堆输出等于或小于预定参考输出值，当前进气压力等于或小于参考压力值，并且当前外部空气温度等于或小于预定参考温度值时，燃料电池控制器可被配置成确定电池堆的工作状态正常。此外，在当前进气压力并未恒定保持，而是逐渐下降时，燃料电池控制器可被配置成检测因电池堆工作压力下降而造成的性能劣化，并且确定是否改变理论空气比的下限值以改善电池堆性能，并且确定是否改变冷却剂目标温度以维持电池堆中的水平衡。
具体地，参考压力值、参考输出值和参考温度值可以是通过先前估计确定和设置的值，以确定电池堆状态(例如，电池堆的工作状态)是否正常。在大气压逐渐降低的低温和低压高海拔条件下，可以通过降低冷却剂工作温度来增加理论空气比的下限值，因此，可增加流入电池堆中的外部空气量，从而增加电池堆中的氧气分压。
因此，在理论空气比的下限值增加的情况下，可以降低冷却剂工作温度，因此，可以增加供应到电池堆中的空气量。具体地，可将理论空气比的上限值固定到预定值，并且可调节理论空气比的下限值，以可变地调节理论空气比的范围。
更具体地，在电池堆工作期间，当监测到的当前电池堆输出等于或小于参考输出值，监测到的当前外部空气温度小于参考温度值，并且监测到的当前进气压力小于参考压力值时，燃料电池控制器可被配置成确定电池堆的工作状态和水平衡状态正常(例如，电池堆工作条件正常或者在无误差的情况下工作)。在当前进气压力(例如，大气压)在电池堆的工作状态正常的情况下逐渐降低时，可以通过将补偿值(例如，理论空气比补偿值)加到理论空气比的下限值上，来调节理论空气比，该下限值是从下限值到上限值中的值。
参考图3，可以将理论空气比补偿值设置成与进气压力的降低成比例增加的值，并且可预先设置最大补偿值(例如，理论空气比补偿值的最大值)，以便即使在当前进气压力下降到预定压力(例如，临界值)或更低时，也能够防止空气被过度供应。换言之，由于可设置理论空气比补偿值的最大补偿值，因此可通过限制供应到电池堆的空气量随着理论空气比的下限值的增加而增加，从而防止空气被过度供应。
因此，在当前进气压力值小于参考压力值时，理论空气比的下限值可与当前进气压力的下降成比例地增加，其中参考压力值小于0m海拔处的大气压，并且在当前进气压力等于或小于临界值时，最大值(例如，理论空气比的下限值的最大值)可被保持成加上了最大补偿值的值。燃料电池控制器可被配置成，通过将补偿值(例如，冷却剂目标温度补偿值)加到当前冷却剂目标温度值，来调节当前冷却剂目标温度，从而维持电池堆中的水平衡。
参考图3，冷却剂目标温度补偿值可被设置成，其绝对值与外部空气温度的下降成比例增加的值，并且可预先设置最大补偿值(例如，冷却剂目标温度的最大补偿值)，因此，即使在当前冷却剂目标温度降低到预定温度(例如，临界温度)或更低的情况下，也能够防止冷却剂工作温度过度降低。
换言之，由于可设置冷却剂目标温度补偿值的最大补偿值，因此可以限制冷却剂工作温度随着当前外部空气温度的降低而降低，从而防止冷却剂温度过度降低。具体地，冷却剂目标温度补偿值可以是负(-)值，并且可以通过将冷却剂目标温度补偿值加到当前冷却剂目标温度上，使当前冷却剂目标温度降低。在当前冷却剂目标温度值小于参考温度值时，冷却剂目标温度可与当前外部空气温度的下降成比例地降低，其中参考温度值小于0m海拔处的外部空气温度，并且在当前外部空气温度等于或小于临界值时，最小值(例如，冷却剂目标温度的最小值)可被保持成加上最大补偿值的值。
此外，当电池堆的进气压力在电池堆状态和水平衡都正常的状态下逐渐降低时，燃料电池控制器可被配置成基于当前进气压力确定理论空气比补偿值；基于当前外部空气温度确定冷却剂目标温度补偿值，以维持电池堆中的水平衡；然后通过将所确定的补偿值加到理论空气比的当前下限值和当前冷却剂目标温度上，校正理论空气比的当前下限值和当前冷却剂目标温度，从而解决在保持当前电池堆工作条件的状态下电池堆性能劣化的问题。
根据本发明，可以解决正常压力燃料电池系统因过大的氢管线压力而导致启动失败的问题，过大的氢管线压力是由车辆在相当低的外部空气温度(例如，在冬季期间)情况下无人照管时的高压调节器(HPR)的操作缺陷引起的。在最初启动燃料电池系统时，在氢管线压力等于或大于参考值时，正常压力燃料电池系统可以不启动，从而可能引起正常压力燃料电池系统启动失败。然而，在应用本发明时，管线压力过大的问题，可通过利用放气阀进行氢吹扫而得到解决，因此，可实现正常启动。当车辆在较低的外部空气温度情况下无人照管时，会因为HPR中O形环的收缩而发生泄漏，从而即使在氢管线压力不处于正常范围内情况下启动车辆时，也允许正常压力燃料电池系统平稳且成功地启动。其后，在氢管线压力处于正常水平之后，系统温度可增加，并且即使在燃料电池系统重复启动时，氢管线压力也可维持在正常范围内。然而，当车辆在相当低的外部空气温度情况下无人照管时，会发生相同的问题，因此，有必要应用本技术。
此外，根据本发明，在低温高海拔环境下更容易调节冷却剂。在车辆位于高海拔的上坡路段和下坡路段中移动的情况下，可以防止因高海拔特征造成的低温条件下的溢流，并且可以在上坡路段中改善燃料效率和性能，在上坡路段中，车辆的负载增加(其要求高输出)。
上面已经参考本发明的示例性实施例对本发明进行了详细描述。然而，本领域的技术人员应当认识到，在不背离本发明的原理和精神的情况下，这些示例性实施例中还可进行变化，本发明的保护范围由所附权利要求及其等效布置来限定。

Claims (18)

1.一种用于改善燃料电池系统的电池堆性能的装置，包括：
燃料电池控制器，其被配置成操作正常压力燃料电池系统的电池堆，
其中所述燃料电池控制器被配置成当监测所述电池堆的当前进气压力、当前输出以及外部空气温度的结果确定所述电池堆的工作状态正常，并且当前进气压力降低时，所述燃料电池控制器通过调节理论空气比的范围而增加供应到所述电池堆的空气量，其中所述理论空气比是所述电池堆中的空气量与冷却剂温度的理论比，
其中所述燃料电池控制器被配置成在所述理论空气比的范围改变时控制冷却剂目标温度，以维持所述电池堆中的水平衡。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述燃料电池控制器被配置成通过固定所述理论空气比的上限值，并增加所述理论空气比的下限值，来减小所述理论空气比的范围。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述燃料电池控制器被配置成通过将理论空气比补偿值加到所述理论空气比的下限值上，来增大所述理论空气比的下限值。
4.根据权利要求3所述的装置，其中所述理论空气比补偿值是与所述电池堆进气压力的下降成比例增加的值。
5.根据权利要求3所述的装置，其中设置所述理论空气比补偿值的最大补偿值，以限制供应到所述电池堆中的空气量随着所述理论空气比的下限值的增大而增大。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述燃料电池控制器被配置成在所述理论空气比的范围改变时降低所述冷却剂目标温度，以维持所述电池堆中的水平衡。
7.根据权利要求1所述的装置，其中所述燃料电池控制器被配置成在所述理论空气比的范围改变时，通过将冷却剂目标温度补偿值加到当前冷却剂目标温度来调节所述冷却剂目标温度值，以维持所述电池堆中的水平衡。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述冷却剂目标温度补偿值为负值，所述负值的绝对值与当前外部空气温度的下降成比例增加。
9.根据权利要求7所述的装置，其中设置所述冷却剂目标温度补偿值的最大补偿值，以限制所述电池堆的冷却剂目标温度随着当前外部空气温度的降低而降低。
10.一种用于改善燃料电池系统的电池堆性能的方法，包括以下步骤：
控制器操作正常压力燃料电池系统的电池堆，
响应于监测所述电池堆的当前进气压力、当前输出和外部空气温度的结果确定所述电池堆的工作状态正常，并且当前进气压力下降，所述控制器通过调节理论空气比的范围来增加供应到所述电池堆的空气量，其中所述理论空气比是所述电池堆的空气量与冷却剂温度的理论比，
其中所述控制器被配置成在所述理论空气比的范围改变时控制冷却剂目标温度，以维持所述电池堆中的水平衡。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括以下步骤：所述控制器通过固定所述理论空气比的上限值并增加所述理论空气比的下限值，来减小所述理论空气比的范围。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括以下步骤：通过将理论空气比补偿值加到所述理论空气比的下限值上，来增大所述理论空气比的下限值。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述理论空气比补偿值是与所述电池堆进气压力的下降成比例增加的值。
14.根据权利要求12所述的方法，其中设置所述理论空气比补偿值的最大补偿值，以限制供应到所述电池堆的空气量随着所述理论空气比的下限值的增大而增大。
15.根据权利要求10所述的方法，还包括以下步骤：当所述理论空气比的范围改变时，所述控制器降低所述冷却剂目标温度，以维持所述电池堆中的水平衡。
16.根据权利要求10所述的方法，还包括以下步骤：当所述理论空气比的范围改变时，所述控制器通过将冷却剂目标温度补偿值加到当前冷却剂目标温度上来调节所述冷却剂目标温度值，以维持所述电池堆中的水平衡。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述冷却剂目标温度补偿值为负值，所述负值的绝对值与当前外部空气温度的下降成比例增大。
18.根据权利要求16所述的方法，其中设置所述冷却剂目标温度补偿值的最大补偿值，以限制所述电池堆的冷却剂目标温度随着当前外部空气温度的降低而降低。
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