CN107303818A - 用于燃料电池车辆的电力分配方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于燃料电池车辆的电力分配方法和系统。该电力分配方法包括：当燃料电池堆中的空气供应量减少时，推导燃料电池堆中的水分量，并且基于该水分量来确定燃料电池的状态。此外，该方法还包括：基于所确定的状态，利用空气压缩机的再生制动的最大电力和高压电池的可充电电力来推导驱动电机的再生制动的允许电力。然后调节驱动电机的再生制动，以防止驱动电机的再生制动的实际电力超过所述再生制动的允许电力。

Description

用于燃料电池车辆的电力分配方法和系统
技术领域
本发明涉及一种燃料电池车辆的电力(power)分配方法和系统，所述方法和系统能够在由于燃料电池车辆负载的降低而导致供应到燃料电池堆中的空气的量减少时，通过基于燃料电池堆的水分状态而不同地执行电机和空气压缩机的再生制动控制(regenerative braking control)，从而提高车辆的效率和耐久性。
背景技术
燃料电池是这样一种电力生成设备：其通过在燃料电池堆中使燃料进行电化学反应而将化学能转变成电能，并且可以用于将电力供应至小型电动/电子产品(特别地，便携式装置)，以及可以供应工业电力、家庭电力以及用于驱动车辆的电力。
作为燃料电池的示例，用作用于驱动车辆的电力供应源的聚合物电解质膜(polymer electrolyte membrane)燃料电池配置为包括：膜电极组件，催化剂电极层附接至与氢离子移动穿过其中的电解质膜相关的电解质膜的两面，电化学反应在催化剂电极层中发生；气体扩散层，其操作为均匀地分配反应气体并且均匀地传输生成的电能；衬垫和联接机构，其保持气密性以及反应气体和冷却剂的合适的联接压力；以及用于反应气体和冷却剂的分隔板。
在燃料电池中，作为燃料的氢和作为氧化剂的氧经由分隔板的流体路径而被分别供应至膜电极组件的阳极和阴极，其中，氢被供应至阳极，而氧被供应至阴极。利用形成在电解质膜的两面的电极层的催化剂，供应至阳极的氢被分解成氢离子和电子。在这些之中，只有氢离子选择性地穿过电解质膜(其是阳离子交换膜)并且被传输至阴极，而同时，电子经由气体扩散层和分隔板(其是导体)而传输至阴极。
在阴极发生下述反应：其中，经由电解质膜所供应的氢离子和经由分隔板而传输的电子与通过空气供应装置供应至阴极的空气中的氧相遇从而生成水。特别地，由于氢离子进行的移动导致通过外部导线的电子流，而通过该电子流生成电流。
近来，已经开发出了使用上面描述的燃料电池的混合动力车辆。该混合动力车辆通过从燃料电池持续输出的恒定电力而受到驱动。当电力有剩余时，利用过剩电力来为电容器充电，而当电力不足时，缺乏的电力由电容器补充输出。在用于对上述电容器进行充电的方法中对于涉及再生制动模式的研究也正在积极的进行着。相关技术中的混合动力车辆的再生制动方法通过实现再生制动而改善了燃料效率，并且提高了包括有燃料电池和电容器的混合动力车辆在高速行驶期间的系统稳定性。
提供被描述为相关技术的内容仅用于帮助理解本发明的背景，而不应被认为是相当于本领域技术人员已知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种燃料电池车辆的电力分配方法和系统，其通过考虑燃料电池堆的水分状态而适当地调节空气压缩机和燃料电池车辆的驱动电机的再生制动量，从而能够改善燃料电池的能源效率以及防止燃料电池的干涸(dryout)现象和满溢(flooding)现象。
根据本发明的示例性的实施方案，一种用于燃料电池车辆的电力分配方法可以包括：当燃料电池堆的空气供应量减少时，通过控制器推导燃料电池堆中的水分量；基于该水分量，通过控制器确定燃料电池的状态；基于所确定的状态，利用空气压缩机的再生制动的最大电力和高压电池的可充电电力来推导驱动电机的再生制动的允许电力；以及通过控制器调节驱动电机的再生制动，以防止驱动电机的再生制动的实际电力超过所述再生制动的允许电力。
在对燃料电池堆中的水分量(amount of moisture)的推导中，可以利用燃料电池的膜电解质组件(MEA)的水含量比(water content ratio)。在对燃料电池的状态的确定中，当水分量为第一水分量或者小于第一水分量时，可以将燃料电池的状态确定为第一状态，该第一水分量为预设的；当水分量大于第一水分量，并且为第二水分量或者小于第二水分量时，可以将燃料电池的状态确定为第二状态，该第二水分量被预设为大于第一水分量的值；当水分量大于第二水分量时，可以将燃料电池的状态确定为第三状态。
此外，在对驱动电机的再生制动的允许电力的推导中，当燃料电池的状态被确定为第一状态时，可以通过从高压电池的可充电电力中减去空气压缩机的再生制动的最大电力来推导驱动电机的再生制动的允许电力。在对驱动电机的再生制动的允许电力的推导中，当燃料电池的状态被确定为第三状态时，可以将驱动电机的再生制动的允许电力推导为高压电池的可充电电力。
驱动电机的再生制动的允许电力可以为当空气压缩机的再生制动的允许电力被设置为0A时的电力。在对驱动电机的再生制动的允许电力的推导中，当燃料电池的状态被确定为第二状态时，可以将驱动电机的再生制动的允许电力推导为高压电池的可充电电力。
电力分配方法可以进一步包括：在调节驱动电机的再生制动之后，通过控制器，利用高压电池的可充电电力和驱动电机的再生制动的实际电力来推导空气压缩机的再生制动的最大电力；以及通过控制器调节空气压缩机的再生制动，以防止空气压缩机的再生制动的实际电力超过空气压缩机的再生制动的最大电力。
根据本发明的另一个示例性的实施方案，一种用于燃料电池车辆的电力分配系统可以包括：燃料电池；燃料电池车辆的驱动电机；燃料电池车辆的高压电池；空气压缩机，其配置为向燃料电池堆供应空气；以及控制器，其配置为：当燃料电池堆的空气供应量减少时，推导燃料电池堆中的水分量；基于该水分量，确定燃料电池的状态；基于所确定的状态，利用空气压缩机的再生制动的最大电力和高压电池的可充电电力来推导驱动电机的再生制动的允许电力；以及调节驱动电机的再生制动，以防止驱动电机的再生制动的实际电力超过所述再生制动的允许电力。
所述控制器可以配置为：当水分量为第一水分量或者小于第一水分量时，将燃料电池的状态确定为第一状态，该第一水分量为预设的；当水分量大于第一水分量，并且为第二水分量或者小于第二水分量时，将燃料电池的状态确定为第二状态，该第二水分量被预设为大于第一水分量的值；以及当水分量大于第二水分量时，将燃料电池的状态确定为第三状态。
当燃料电池的状态被确定为第一状态时，所述控制器可以配置为通过从高压电池的可充电电力中减去空气压缩机的再生制动的最大电力来推导驱动电机的再生制动的允许电力。当燃料电池的状态被确定为第三状态时，所述控制器可以配置为将驱动电机的再生制动的允许电力推导为高压电池的可充电电力。
当燃料电池的状态被确定为第二状态时，所述控制器可以配置为将为高压电池的可充电电力推导为驱动电机的再生制动的允许电力；利用高压电池的可充电电力和驱动电机的再生制动的实际电力来推导空气压缩机的再生制动的最大电力；以及调节空气压缩机的再生制动，以防止空气压缩机的再生制动的实际电力超过空气压缩机的再生制动的最大电力。
附图说明
通过与所附附图相结合的对示例性的实施方案的下述说明，本发明的这些方面和/或其他方面将变得清晰和更容易理解。
图1为根据本发明的示例性实施方案的用于燃料电池车辆的电力分配方法的流程图；
图2为根据本发明的示例性实施方案的用于燃料电池车辆的电力分配系统的结构示意图。
具体实施方式
应当理解，本文所使用的术语“车辆”或“车辆的”或其它类似术语包括一般的机动车辆，例如包括运动型多用途车辆(SUV)、大客车、卡车、各种商用车辆的乘用汽车，包括各种舟艇、船舶的船只，航空器等等，并且包括混合动力车辆、电动车辆、可插式混合动力电动车辆、氢动力车辆以及其它替代性燃料车辆(例如源于非石油的能源的燃料)。正如此处所提到的，混合动力车辆是具有两种或更多动力源的车辆，例如汽油动力和电力动力两者的车辆。
虽然示例性的实施方案描述为使用多个单元以执行示例性的过程，但是应当理解，示例性的过程也可以由一个或多个模块执行。此外，应当理解的是术语控制器指代的是包含有存储器和处理器的硬件设备。该存储器被配置成存储模块，而处理器特定地配置成执行所述模块以执行将在下文进行进一步描述的一个或多个过程。
本文所使用的术语仅用于描述具体实施方案的目的并且不旨在限制本发明。正如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“所述”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确的说明。还应理解，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但是不排除存在或加入一种或多种其他的特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其集合。正如在此所使用的，术语“和/或”包括一种或多种相关列举项目的任意和所有组合。
除非特别声明或者从上下文显而易见的，本文所使用的术语“大约”应理解为在本领域的正常容许范围内，例如在平均值的2个标准偏差内。“大约”可被理解为在指定值的10％、9％、8％、7％、6％、5％、4％、3％、2％、1％、0.5％、0.1％、0.05％或0.01％之内。除非在上下文中另外有清楚说明，本文提供的所有数值都受到术语“大约”修饰。
下面将参考所附附图对本发明的示例性实施方案进行描述。
如图1所示，根据本发明的用于燃料电池10的车辆的电力分配方法可以包括：步骤S10，当燃料电池10堆中的空气供应量减少时，利用控制器50推导燃料电池10堆中的水分量；步骤S20，基于该水分量，利用控制器50确定燃料电池10的状态；步骤S30，基于所确定的状态，利用空气压缩机40的再生制动的最大电力以及高压电池30的可充电电力，来推导驱动电机20的再生制动的允许电力；以及步骤S40，利用控制器50调节驱动电机20的再生制动，以防止驱动电机20的再生制动的实际电力超过所述再生制动的允许电力。
本发明涉及一种用于当燃料电池10的车辆由于负载的减小而减少堆的阴极的空气供应量时，基于燃料电池10的堆的水分状态来改变车辆的驱动电机的再生制动控制策略的应用的技术。可以利用多种方法感测堆的空气供应量的变化。例如，可以在空气供应流体路径中设置传感器来利用直接的方法感测供应空气量，且由此也可以利用空气供应阀的开度值来间接地确定供应空气量。
当感测到空气供应量减少时，供应到燃料电池10的堆的空气量也会减少，指示燃料电池10的输出降低。换句话说，燃料电池10的负载降低并且最终，车辆速度也会降低。燃料电池10的车辆可以被确定为处于能够进行再生制动的状态中。
因此，可以利用再生制动来改善车辆的燃料效率。但是，在相关技术中，当无论燃料电池10的堆是否处于干燥状态或是满溢状态而都同样地执行再生制动控制时，虽然通过再生制动可能会使燃料效率提高，但是燃料电池10的堆的干燥状态或者满溢状态会加重，因此可能会造成燃料电池10的耐久性变差。因此，根据本发明，当燃料电池10的空气供应量减少时，在步骤S10，可以如图1所示地确定堆中的水分量，以基于燃料电池10的堆的状态确立车辆的再生制动控制策略。
可以使用各种方法来确定堆中的水分量。例如，一种方法可以考虑利用燃料电池10的膜电解质组件(membrane electrolyte assembly，MEA)的水含量比。可以利用燃料电池10的MEA的水含量比，利用燃料电池10的堆输出的电流和电压来推导燃料电池10的堆中的水分量。
当在步骤S10确定了堆中的水分量时，可以在步骤S20利用堆中的水分量来确定燃料电池10的状态。确定基准可以将燃料电池10的堆分类为：干燥状态、正常状态和满溢状态。如上面所描述的，干燥状态对应于当燃料电池10中的水分比最小时的状态，而满溢状态对应于当水分比过量时的状态。根据控制目的和堆的状态，可以采用不同的基于堆中的水分比而确定干燥或者满溢的基准。但是，通常来说，当堆中的水分比为大约20％或者更小时，可以确定燃料电池10的堆处于干燥状态，以及当堆中的水分比高于大约80％时，可以确定燃料电池10的堆处于满溢状态。正常状态可以被认为是在干燥状态和满溢状态之间的状态。
因此，本发明中提及的第一水分量指示为其中堆中的水分比大约为20％(例如，第一量)的堆中的水分量，而第一状态指示为其中堆干燥的状态。此外，第二水分量指示为其中堆中的水分比大约为80％(例如，第二量)的堆中的水分量，第二状态指示为其中堆处于正常的状态，而第三状态指示为其中堆处于满溢的状态。
因此，当基于堆中的水分量将堆的状态分为三种状态时，可以基于所分类状态，而如图1所示地在步骤S30推导驱动电机20的再生制动的允许电力，以及可以基于推导出的再生制动而在步骤S40执行驱动电机20的再生制动的调节。由此，在下文中将对用于基于燃料电池10的堆的各种状态(从燃料电池10的堆为干燥的状态到燃料电池10的堆为满溢的状态)来调节再生制动的方法进行描述。
首先，当燃料电池10的堆干燥时，也即，当燃料电池10的状态被确定为第一状态时，控制器50可以配置为通过从高压电池30的可充电电力中减去空气压缩机40的再生制动的最大电力来确定驱动电机20的再生制动的允许电力。当燃料电池10的状态为干燥时，因为需要通过停止将空气供应至燃料电池10来避免堆的这种干燥状态的持续，所以空气压缩机40可能在高速下停止。因此，可以通过从高压电池30的可充电电力中减去空气压缩机40的再生制动的最大电力，来获得驱动电机20的再生制动的允许电力。
其次，当燃料电池10的堆正常时，也即，燃料电池10的状态被确定为第二状态时，由于不需要停止空气压缩机40，所以也就不需要从驱动电机20的再生制动的允许电力中减去基于空气压缩机40的再生制动的电力。因此，类似于相关技术，高压电池30的可充电电力可以被推导为驱动电机20的再生制动的允许电力。
但是，由于如上面所描述的，燃料电池10的堆的状态对应于当阴极的供应空气量减少时的状态，空气压缩机40的电机转速可能会逐渐地降低。因此，可能也会执行空气压缩机40的再生制动。因此，当燃料电池10的堆正常时，驱动电机20的再生制动的允许电力可以推导为高电压电池30的可充电电力，以改善车辆的燃料效率。
随后，可以通过从高压电池30的可充电电力中减去驱动电机20的再生制动的实际电力，来推导空气压缩机40的再生制动的最大电力，而控制器50可以配置为防止空气压缩机40的再生制动的实际电力超过所推导的空气压缩机40的再生制动的允许电力，从而提高燃料电池10的堆的耐久性。
最后，第三种情况对应于当燃料电池10的堆为满溢时的状态，也即，燃料电池10的状态被确定为第三状态。特别的，尽管基于燃料电池10的负载的减少燃料电池10的输出需要减小，但是可以将这样的驱动电机的再生制动的允许电力推导为驱动电机20的再生制动的允许电力，其为当空气压缩机40的再生制动的允许电力设定成0A(以最小化空气压缩机40电机的转速的减小)时的驱动电机的再生制动的允许电力，以防止在燃料电池10中发生满溢现象。利用由空气压缩机40供应的空气，沉积在燃料电池10的堆中的水分可以被排出。因此，尽管由于燃料电池10的负载的减少导致供应到堆的阴极中的空气量的需要减少，但是通过将空气压缩机40的再生制动的允许电力最小化至0A并且避免空气压缩机40执行再生制动，空气压缩机40的驱动时间可以得到最大化地增加。
与此同时，如图2所示，根据本发明的用于燃料电池10车辆的电力分配系统可以包括：燃料电池10；燃料电池10的车辆的驱动电机20；燃料电池10的车辆的高压电池30；空气压缩机40，其配置为将空气供应至燃料电池10的堆；以及控制器50，其配置为当燃料电池10的堆的空气供应量减少时，确定燃料电池10的堆中的水分量，基于该水分量，确定燃料电池10的状态，基于所确定的状态，利用空气压缩机40的再生制动的最大电力以及高压电池30的可充电电力来确定驱动电机20的再生制动的允许电力，以及调节驱动电机20的再生制动，以防止驱动电机20的再生制动的实际电力超过所述再生制动的允许电力。
特别的，控制器50可以配置为：当水分量为第一水分量或者小于第一水分量时，将燃料电池10的状态确定为第一状态，该第一水分量为预设的；当水分量大于第一水分量，并且为第二水分量或者小于第二水分量时，将燃料电池10的状态确定为第二状态，该第二水分量被预设为大于第一水分量的值；以及当水分量大于第二水分量时，将燃料电池10的状态确定为第三状态。
此外，控制器50可以配置为：当燃料电池10的状态确定为第一状态时，通过从高压电池30的可充电电力中减去空气压缩机40的再生制动的最大电力，来确定驱动电机20的再生制动的允许电力；当燃料电池10的状态确定为第二状态时，将高压电池30的可充电电力确定为驱动电机20的再生制动的允许电力；当燃料电池10的状态确定为第三状态时，将高压电池30的可充电电力确定为驱动电机20的再生制动的允许电力；利用高压电池30的可充电电力和驱动电机20的再生制动的实际电力，来确定空气压缩机40的再生制动的最大电力，并且调节空气压缩机40的再生制动，以防止空气压缩机40的再生制动的实际电力超过再生制动的最大电力。
如上面所述的，根据本发明的示例性的实施方案，可以获得下述效果。
首先，当燃料电池干燥时，可以执行控制以最大化空气压缩机的再生制动并且能够避免燃料电池的干涸现象，从而能够提高燃料电池的耐久性。
第二，当燃料电池的堆包含大量水分时，可以最小化空气压缩机的再生制动，以通过空气压缩机而维持水分去除效果，从而能够避免燃料电池的满溢现象。
第三，驱动电机的再生制动量可以达到高压电池所允许的最大值，从而燃料电池车辆的整体能源效率可以得到改善。
尽管本发明已经结合具体的示例性的实施方案得到展示和描述，但是对于本领域技术人员来说显然的是，在不脱离如所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种改变和修改。

Claims (13)

1.一种用于燃料电池车辆的电力分配方法，包括：
当燃料电池堆的空气供应量减少时，通过控制器推导燃料电池堆中的水分量；
基于该水分量，通过控制器确定燃料电池的状态；
基于所确定的状态，通过控制器，利用空气压缩机的再生制动的电力以及高压电池的可充电电力来推导驱动电机的再生制动的允许电力；
通过控制器来调节驱动电机的再生制动，以防止驱动电机的再生制动的实际电力超过所述再生制动的允许电力。
2.根据权利要求1所述的用于燃料电池车辆的电力分配方法，其中，在对燃料电池堆中的水分量的推导中，考虑燃料电池的膜电解质组件的水含量比。
3.根据权利要求1所述的用于燃料电池车辆的电力分配方法，其中，在对燃料电池的状态的确定中，当水分量为第一水分量或者小于第一水分量时，将燃料电池的状态确定为第一状态，该第一水分量为预设的；当水分量大于第一水分量，并且为第二水分量或者小于第二水分量时，将燃料电池的状态确定为第二状态，该第二水分量被预设为大于第一水分量的值；而当水分量大于第二水分量时，将燃料电池的状态确定为第三状态。
4.根据权利要求3所述的用于燃料电池车辆的电力分配方法，其中，在对驱动电机的再生制动的允许电力的推导中，当燃料电池的状态被确定为第一状态时，通过从高压电池的可充电电力中减去空气压缩机的再生制动的最大电力，来推导驱动电机的再生制动的允许电力。
5.根据权利要求3所述的用于燃料电池车辆的电力分配方法，其中，在对驱动电机的再生制动的允许电力的推导中，当燃料电池的状态被确定为第三状态时，驱动电机的再生制动的允许电力推导为高压电池的可充电电力。
6.根据权利要求5所述的用于燃料电池车辆的电力分配方法，其中，驱动电机的再生制动的允许电力为当空气压缩机的再生制动的允许电力被设定为0A时的电力。
7.根据权利要求3所述的用于燃料电池车辆的电力分配方法，其中，在对驱动电机的再生制动的允许电力的推导中，当燃料电池的状态被确定为第二状态时，驱动电机的再生制动的允许电力推导为高压电池的可充电电力。
8.根据权利要求7所述的用于燃料电池车辆的电力分配方法，进一步包括：
通过控制器，利用高压电池的可充电电力和驱动电机的再生制动的实际电力，来推导空气压缩机的再生制动的最大电力；
通过控制器，调节空气压缩机的再生制动，以防止空气压缩机的再生制动的实际电力超过空气压缩机的再生制动的最大电力。
9.一种用于燃料电池车辆的电力分配系统，包括：
燃料电池；
燃料电池车辆的驱动电机；
燃料电池车辆的高压电池；
空气压缩机，其配置为向燃料电池堆供应空气；
控制器，其配置为：
当燃料电池堆的空气供应量减少时，推导燃料电池堆中的水分量；
基于该水分量，确定燃料电池的状态；
基于所确定的状态，利用空气压缩机的再生制动的电力和高压电池的可充电电力，来推导驱动电机的再生制动的允许电力；
调节驱动电机的再生制动，以防止驱动电机的再生制动的实际电力超过所述再生制动的允许电力。
10.根据权利要求9所述的用于燃料电池车辆的电力分配系统，其中，所述控制器配置为：当水分量为第一水分量或者小于第一水分量时，将燃料电池的状态确定为第一状态，该第一水分量为预设的；当水分量大于第一水分量，并且为第二水分量或者小于第二水分量时，将燃料电池的状态确定为第二状态，该第二水分量被预设为大于第一水分量的值；以及当水分量大于第二水分量时，将燃料电池的状态确定为第三状态。
11.根据权利要求10所述的用于燃料电池车辆的电力分配系统，其中，当燃料电池的状态被确定为第一状态时，所述控制器配置为通过从高压电池的可充电电力中减去空气压缩机的再生制动的最大电力，来推导驱动电机的再生制动的允许电力。
12.根据权利要求10所述的用于燃料电池车辆的电力分配系统，其中，当燃料电池的状态被确定为第三状态时，所述控制器配置为将驱动电机的再生制动的允许电力推导为高压电池的可充电电力。
13.根据权利要求10所述的用于燃料电池车辆的电力分配系统，其中，当燃料电池的状态被确定为第二状态时，所述控制器配置为将为高压电池的可充电电力推导为驱动电机的再生制动的允许电力；利用高压电池的可充电电力和驱动电机的再生制动的实际电力，来推导空气压缩机的再生制动的最大电力；调节空气压缩机的再生制动，以防止空气压缩机的再生制动的实际电力超过空气压缩机的再生制动的最大电力。
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