CN107666000A - 使用升压变换器的恢复模式的堆电压控制 - Google Patents

Abstract

一种燃料电池恢复系统，其包括具有在燃料电池堆终端之间的燃料电池堆电压的燃料电池堆，燃料电池堆电压在正常燃料电池操作期间处于第一电压下。该系统还包括在第一DC操作电压下操作的高电压电气系统，该第一DC操作电压通常高于燃料电池堆的第一电压。与燃料电池堆和高电压电气系统电气连接的升压变换器在正常控制模式下操作以便在正常燃料电池操作期间通过对平均堆输出电流(升压输入电流)的调节和控制将电功率从燃料电池堆传递至高电压电气系统。升压变换器还可以在电压控制模式下操作以便将燃料电池堆电压降低至低于第一电压的第二电压。FCS控制器控制升压变换器的操作。

Description

使用升压变换器的恢复模式的堆电压控制

技术领域

在至少一个方面中，本发明涉及待用在电压恢复模式中的燃料电池堆的电压控制。

背景技术

燃料电池堆在许多应用中都用作电功率源。尤其，提出了将燃料电池堆用在汽车中以取代内燃机。在典型应用中，将燃料电池堆设置为多个单燃料电池的阵列以便提供高电功率电平。由于使用了燃料电池堆，所以观察到堆输出电压的不良下降。已经发现，可以通过在潮湿条件下在低电压下(即，处于或者低于30V)操作燃料电池堆来撤销该电压降。

已经设想出用于在低电压条件下操作燃料电池堆的几种策略。在一种现有技术方法中，低电压是通过如下方式来实现的：使燃料电池阴极在低化学计量下运行，其中，准确地控制阴极阀位置以防止电压暴跌。另一种现有技术方法使用电压抑制算法来降低电压并且使用电压限制算法来防止电压暴跌。然而，已经证明，这两种策略都无法实现每个电池的低于300mV的绝妙电池电压恢复目标，这是由于硬件限制、电池与电池间的差异、CAN信号传输延迟等。

因此，存在对燃料电池恢复系统的需要，该燃料电池恢复系统可以使燃料电池堆维持在对于执行有效电压恢复有用的电压下。

发明内容

本发明通过在至少一个实施例中提供一种燃料电池恢复系统来解决现有技术的一个或多个问题，该燃料电池恢复系统可以使燃料电池堆过渡至低电压以便可以实施堆电压恢复操作。该燃料电池恢复系统包括具有在燃料电池堆终端之间的燃料电池堆电压的燃料电池堆，燃料电池堆电压在正常燃料电池操作期间处于第一电压下。该系统还包括在第一DC操作电压下操作的高电压电气系统，该第一DC操作电压高于燃料电池堆的第一电压。与燃料电池堆和高电压电气系统电气连接的升压变换器在正常控制模式下操作以便在正常燃料电池操作期间通过对平均堆输出电流(升压输入电流)的调节和控制将电功率从燃料电池堆传递至高电压电气系统。升压变换器还可以在电压控制模式下操作以便将燃料电池堆电压降低至低于第一电压的第二电压。燃料电池系统(FCS)控制器可操作用于向升压变换器发送控制信号以便选择正常操作模式和电压控制模式。典型地，在电压控制模式(也称为堆电压恢复操作模式)期间，升压变换器的微处理器发生变化以控制工作周期以便调节堆输出电压(升压输入电压)。

在另一实施例中，提供了一种燃料电池恢复系统。该燃料电池恢复系统包括具有在燃料检查堆终端之间的燃料电池堆电压的燃料电池堆，燃料电池堆电压在正常燃料电池操作期间处于第一电压下。该系统还包括在第一DC操作电压下操作的高电压电气系统，该第一DC操作电压高于燃料电池堆的第一电压。与燃料电池堆和高电压电气系统电气连接的升压变换器在正常控制模式下操作以便在正常燃料电池操作期间将电功率从燃料电池堆传递至高电压电气系统。升压变换器还可以在电压控制模式下操作以便将燃料电池堆电压降低至低于第一电压的第二电压。在电压恢复模式下的操作期间，升压变换器通过反复地强制执行会聚至第二电压的电压上限设定点来使燃料电池堆电压过渡至第二电压。FCS控制器可操作用于向升压变换器发送控制信号以便选择电压控制模式。FCS控制器确定并且设定提供至升压变换器的电压上限设定点，其中，如果电压上限设定点不能由升压变换器来实现，则将该电压上限设定点设定为可由升压变换器实现的且在其能力内的值。如前所述，在电压控制模式(也称为堆电压恢复操作模式)期间，微处理器发生变化以控制工作周期以便调节堆输出电压(升压输入电压)。

附图说明

图1是用于在燃料电池堆中实施电压恢复的系统的示意图；

图2是示出了燃料电池恢复系统在对于电压恢复有用的低电压模式下的操作的流程图；

图3提供了电压上限、堆电压、以及堆升压电流相对时间的曲线图；以及

图4提供了堆电压、堆功率、以及堆电流相对时间的曲线图。

具体实施方式

现在将详细提及本发明的目前优选的组合物、实施例和方法，其构成发明人目前已知的用于实践本发明的最佳模式。附图不必按照比例绘制。然而，应理解，所公开的实施例仅仅是本发明的示例，其可以按照各种形式以及替代形式进行体现。因此，本文所公开的特定细节不应理解为具有限制性，而是仅仅作为本发明的任何方面的代表性基础以及/或者作为用于教导本领域的技术人员按照各种方式采用本发明的代表性基础。

除了在示例中，或者另外明确地指明的地方之外，本说明书中表示材料数量或者反应和/或使用条件的所有数值数量都应理解为在描述本发明的宽泛范围时由措辞“大约”进行修饰。在所陈述的数值限制内的实践通常是优选的。同样，除非明确地陈述了相反意思：否则首字母缩略词或者其它缩写的第一次定义适用于同一缩写在本文所有随后的使用，并且加上必要的变更则适应于初始定义的缩写的正常语法变化；并且，除非明确地陈述了相反意思：否则对性质的测量是由与先前或者后文针对同一性质提及的相同技术来确定。

还应理解，本发明不限于下文描述的特定实施例和方法，因为特定部件和/或条件当然可以发生变化。此外，本文所使用的术语仅仅用于描述本发明的特定实施例的目的并且决不意在具有限制性。

还必须注意，如说明书和所附权利要求书中使用的，单数形式“一”、“一个”、以及“该”包括复数参照对象，除非上下文清楚地另外指明。例如，对单数形式的部件的参照意在包括多个部件。

术语“包括”与“包含”、“具有”、“含有”、或者“其特征在于”同义。这些术语是包容性和开放式的并且不会排除附加的未叙述的元件或者方法步骤。

语句“由......组成”排除未在权利要求书中指明的任何元件、步骤、或者组分。当该语句出现在权利要求的主体的从句中，而不是紧接在序文之后时，其仅仅限制该从句中陈述的元件；其它元件则未被排除在作为整体的权利要求之外。

语句“基本上由......组成”将权利要求的范围限制至指明的材料或者步骤，加上不会在实质上影响所要求的主题的基本特征和新颖特征的那些材料或者步骤。

术语“包括”、“由......组成”、以及“基本上由......组成”可以替代地使用。在使用这三个术语中的其中一个的情况下，当前所公开的和要求的主题可以包括另外两个术语中任一个的使用。

参照图1，提供了用于在燃料电池堆中实施电压恢复的系统的示意图。燃料电池恢复系统10包括燃料电池堆12，燃料电池堆12包括多个单燃料电池。燃料电池堆12的特征在于电压终端14和16之间的燃料电池堆电压。在正常燃料电池操作期间，燃料电池堆电压是输出至负载的第一电压。在典型的汽车应用中，燃料电池堆包括20至350(或者更多)个单燃料电池，每个燃料电池在正常操作期间在每个燃料电池的约0.6伏特至1.22伏特的电压下操作。因此，燃料电池堆电压可以在12伏特至430伏特之间。升压变换器20与燃料电池堆12和高电压系统22电气连接。高电压系统22在第一DC操作电压下操作。高电压系统22的第一DC操作电压高于由燃料电池堆12输出的第一电压。升压变换器20在燃料电池操作期间将电功率从燃料电池堆12传递至高电压系统22。升压变换器20还在电压控制模式下操作以便将燃料电池堆电压降低至低于第一电压的第二电压。通常，在第二电压下，燃料电池堆12中的每个燃料电池都在每个燃料电池的约0.1伏特至0.4伏特的电压下操作。

在精制例中，高电压系统22向其中并入有燃料电池恢复系统10和燃料电池堆12的车辆提供电压。通常，高电压系统22包括高电压蓄电池24。

燃料电池恢复系统10还包括堆放电电路32，用于在其它操作模式期间通过电阻能放电来减小燃料电池堆的电压。为此，堆放电电路32包括电阻器34和开关36。

仍参照图1，升压变换器20是燃料电池系统中使用的标准升压器的修改以便将来自燃料电池堆的电功率提供至高电压系统。升压变换器20包括微处理器40，微处理器40经由栅极控制器44控制晶体管42。升压变换器经由开关42、电感器48、二极管50、二极管52、以及电容器54来完成向高电压系统的功率传递。升压变换器的功能是将输入电压增加至较高输出电平。这是通过晶体管42的脉宽调制控制来实现。在晶体管42接通(TON)的时间期间，来自燃料电池堆系统的电流流过电感器48和晶体管42。能量通过电线56返回至燃料电池堆，从而产生储存在电感器48中的能量以及电感器48上的电压升高。当晶体管42过渡至切断时，储存在电感器48中的能量使得电流流向输出负载(即，高电压系统22)并且升压变换器20的输出处的电压是电感器上的电压与堆电压的总和，其高于来自燃料电池堆的初始输入电压。在正常燃料电池应用中，升压变换器微处理器40通过对晶体管42的工作周期的调节来控制堆平均输出电流(升压输入电流)。然而，在电压控制模式期间，升压变换器20控制开关工作周期(即，晶体管42的工作周期)以便使得恰当电压保持在FCS控制器命令的电压上限，直到电压控制模式的结束。

在本实施例中，在堆电压恢复操作模式期间，微处理器从控制工作周期改变为调节堆输出电压(即，升压输入电压)。在精制例中，当触发了电压恢复时，FCS系统60进入潮湿准备操作模式。通常，潮湿准备操作模式将遵循标准电压恢复过程。在发送了初始电压请求之后，FCS控制器60将电压上限发送至升压变换器20。电压上限改变的速率取决于堆耐久性，即，燃料电池堆在不会引起损坏的情况下可以承受的电压变化速度。在精制例中，由升压控制器20实现的燃料电池堆的速率变化是每秒约0.05伏特至约15伏特。在另一精制例中，由升压控制器20实现的燃料电池堆的速率变化是每秒约0.1伏特至约8伏特。如果该速率在升压控制器20的能力之内，则升压器将批准该请求。如果该速率落在升压变换器能力之外，则升压器将用在升压变换器能力之内的请求来覆写该FCS请求。一旦电压上限获得批准，升压控制器20将控制开关工作周期以便使得恰当电流保持在电压上限，直到低电压状态结束。

燃料电池恢复系统10还包括FCS控制器60。FCS控制器60用于控制升压变换器20。就此而言，术语“可操作”意味着FCS控制器60向受到控制的装置发出控制信号和/或指令以便执行某一功能或者返回来自传感器的测量。例如，在FCS控制器60的操作期间，FCS控制器向升压变换器20的微处理器40发出控制信号。堆FCS控制器60的这些功能对于许多现有技术系统而言是标准的。然而，在本实施例中，FCS控制器60允许系统10在标准电流控制模式以及电压控制模式下操作，在电压控制模式下，燃料电池堆12的输出电压由升压控制20控制。

参照图1和图2，提供了燃料电池恢复系统10的关于在低电压模式下操作燃料电池堆的操作。图2是示出了燃料电池恢复系统10的操作的流程图。通常，升压变换器20通过反复地强制执行会聚至第二电压的电压上限设定点来使燃料电池堆电压过渡至第二电压值，从而升压变换使燃料电池堆电压过渡至低于所选择的电压上限设定点的值。该过程始于FCS控制器60设定微处理器40的初始电流请求，如框100中描绘的。该步骤代表燃料电池堆12的正常操作。在框110中，FCS控制器60向微处理器40发送控制信号以使升压变换器20进入低电压模式。通常，这时，燃料电池恢复系统10按照标准电压恢复过程进入潮湿准备操作模式。

这时，FCS控制器60还将电压上限设定点和电压改变速率限制设定点发送至升压变换器20。电压改变速率限制设定点是燃料电池堆12的电压可以改变的速率。在框120中，FCS控制器60和/或微处理器40确定设定点是否在升压变换器的规格内。如果设定点在升压器限制内，则使用由FCS控制器60设定的这些限制(框130)。如果设定点不在升压器能力之内，则使用基于系统能力的升压器限制作为设定点(框140)。此时，升压变换器20控制电压限制直到低电压阶段完成(框150)。就此而言，一旦电压上限获得批准，升压控制器20将控制开关工作周期以便使得恰当电流保持在电压上限，直到低电压状态结束。在该控制期间，FCS控制器60和/或微处理器20确定电压限制是否得到满足(框160)。如果该限制没有得到满足，则升压变换器调节(框170)工作周期并且系统返回至框120的步骤，在该步骤中，确定设定点是否在升压变换器的能力之内。在框180中，FCS控制器60和/或微处理器40确定低电压状态是否完成。如果低电压状态还未完成，则系统循环回到框150，在此，升压变换器20继续控制燃料电池堆电压。最后，如果低电压状态已经完成，则系统退出低电压模式(框190)。此时，升压控制器20然后将返回至对平均堆输出电流(升压输入电流)的调节和控制的正常操作。

参照图3，提供了电压上限、堆电压、以及堆升压电流相对时间的曲线图。潮湿准备部段示出了燃料电池恢复系统在其正常状态下操作，其中，堆电压未受到限制并且设定点处于电流域中。当进入电压恢复的低电压状态时，电压上限下降并且升压变换器开始限制堆电压。这是由升压变换器降低的电流量的增加来驱动。线A示出了堆电压增加至高于电压限制的情况。升压变换器通过降低更多电流来作出响应，从而使电压返回至低于上限。线B示出了相反情况，其中，堆电压下降。升压变换器将减小其降低的电流，从而允许电压增加。在低电压状态结束处，电压上限升高回到其原始值，这允许堆电压返回至其正常值。这又使得升压变换器电流下降，使FCS返回至其正常操作状态。

参照图4，提供了堆电压、堆功率、以及堆电流相对时间的曲线图。图4还示出了堆电流要求。图4图示了堆电压在升压变换器的控制下跟踪电压上限设定点。观察到升压变换器成功地将电压降低至约30V，这是用于恢复燃料电池堆中的可逆电压损失的理想电平。

尽管上文描述了示例性实施例，但这些实施例并不意在描述本发明的所有可能的形式。相反，说明书中使用的措辞是描述性措辞而不是限制性措辞，并且应理解，在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以作出各种修改。此外，实施的各个实施例的特征可以进行组合以便形成本发明的其它实施例。

Claims (10)

1.一种燃料电池恢复系统，其包括：

燃料电池堆，所述燃料电池堆具有在燃料电池堆终端之间的燃料电池堆电压，所述燃料电池堆电压在正常燃料电池操作期间处于第一电压下；

高电压电气系统，所述高电压电气系统在第一DC操作电压下操作，所述第一DC操作电压通常高于所述燃料电池堆的所述第一电压；

升压变换器，所述升压变换器与所述燃料电池堆和所述高电压电气系统电气连接，所述升压变换器在调节和控制平均堆输出电流(升压输入电流)的正常控制模式下操作以便在正常燃料电池操作期间将电功率从所述燃料电池堆传递至所述高电压电气系统，所述升压变换器还能够在电压控制模式下操作以便将所述燃料电池堆电压降低至低于所述第一电压的第二电压；以及

FCS控制器，所述FCS控制器能够操作用于向所述升压变换器发送控制信号以便选择所述电压控制模式。

2.根据权利要求1所述的燃料电池恢复系统，其中，所述升压变换器通过反复地强制执行会聚至所述第二电压的电压上限设定点来使所述燃料电池堆电压过渡至所述第二电压，从而所述升压变换器使所述燃料电池堆电压过渡至低于所选择的电压上限设定点的值。

3.根据权利要求2所述的燃料电池恢复系统，其中，所述电压上限设定点是由所述FCS控制器来确定并且被提供至所述升压变换器。

4.根据权利要求3所述的燃料电池恢复系统，其中，如果电压上限设定点不能由所述升压变换器实现，则将所述电压上限设定点设定为能够由所述升压变换器实现的值。

5.根据权利要求2所述的燃料电池恢复系统，其中，待使用的电压改变速率限制设定点是由所述FCS控制器来确定并且被提供至所述升压变换器。

6.根据权利要求5所述的燃料电池恢复系统，其中，如果所述电压改变速率限制设定点不能由所述升压变换器实现，则将所述电压改变速率限制设定点设定为能够由所述升压变换器实现的值。

7.根据权利要求1所述的燃料电池恢复系统，其中，所述燃料电池堆包括多个单燃料电池，每个燃料电池在正常操作期间在每个燃料电池的约0.6伏特至1.22伏特的电压下操作。

8.根据权利要求7所述的燃料电池恢复系统，其中，在所述第二电压下，每个燃料电池都在每个燃料电池的约0.2伏特至0.4伏特的电压下操作。

9.根据权利要求1所述的燃料电池恢复系统，其中，所述升压变换器在正常操作期间控制来自所述燃料电池堆的电流。

10.根据权利要求1所述的燃料电池恢复系统，其中，所述升压变换器控制开关工作周期以便使得恰当电流保持在电压上限，直到所述电压控制模式完成。