CN108859798B - 用于燃料电池车辆的发电系统和发电方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于燃料电池车辆的发电系统和发电方法，该发电系统包括：主线，该主线顺序电连接燃料电池、高压DC‑DC转换器和高压电池；外部功耗装置连接单元；以及控制器，根据外部功耗装置的功耗，通过选择通过仅使用由燃料电池生成的电力用于将电力供应至外部功耗装置的模式、通过仅使用高压电池将电力供应至外部功耗装置的模式、或者用于在高效率输出区间中操作燃料电池或者高压DC‑DC转换器的模式来控制燃料电池或者高压DC‑DC转换器。

Description

用于燃料电池车辆的发电系统和发电方法
技术领域
本公开涉及用于燃料电池车辆的发电系统和发电方法，其可以在执行外部发电中改善能量效率和耐用性这两者。
背景技术
包括诸如燃料电池或者高压电池的蓄电池的燃料电池车辆需要将电力供应到外部是当前趋势。为此，安装在燃料电池车辆中的DC输出终端端口可连接至单独的外部电力供应器(逆变器)以供应220V/110V的电力，或者可以添加外部电源系统电力电路以允许直接接收和使用通过嵌入在车辆中的外部电源逆变器供应的220V/110V电力。
当用于外部电源的电源电路从高压电池的总线端子分支并连接至高压电池的总线端子以便添加如上所述的外部电源系统时，传统的配电控制要求对高压电池SOC维护的控制，其中，由于由燃料电池生成的电力导致重复执行电池的充电和放电，并且不必要的充电和放电降低了效率。
本背景部分中的以上描述仅用于提高对本公开的背景的理解，并且不应被认为承认该信息形成本领域的普通技术人员所已知的现有技术。
发明内容
本公开被提出以解决该问题，并且提供了用于燃料电池车辆的发电系统和发电方法，其可提高执行外部发电中的能量效率和耐用性这两者。
根据上述方面，一种根据本公开的用于燃料电池车辆的发电系统包括：主线，顺序电连接燃料电池、高压DC-DC转换器和高压电池；外部功耗装置连接单元，从主线的高压DC-DC转换器与高压电池之间的点分支并且被布置为电连接至主线；以及控制器，当外部功耗装置连接至外部功耗装置连接单元时，根据外部功耗装置的功耗，通过选择通过仅使用由燃料电池生成的电力将电力供应至外部功耗装置的模式、通过仅使用高压电池将电力供应至外部功耗装置的模式、或者用于在高效率输出区间中操作燃料电池或者高压DC-DC转换器的模式来控制燃料电池或者高压DC-DC转换器。
控制器包括：存储器，存储与燃料电池的高效率输出区间或者高压DC-DC转换器的高效率输出区间相关的数据；以及功率得出单元，得出外部功耗装置的功耗。
外部功耗装置连接单元可以是通过继电器连接至主线的外部电源端口。
外部功耗装置连接单元可以是连接至主线的外部电源逆变器。
控制器可以根据高压DC-DC转换器的输出功率与高压电池的充电和放电功率之差得出外部功耗装置的功耗。
当外部功耗装置的功耗等于或低于参考值时，控制器可通过选择通过仅使用高压电池将电力供应至外部功耗装置的模式停止燃料电池的发电。
参考值可以是燃料电池的高效率输出区间或者高压DC-DC转换器的高效率输出区间中的最低值。
在选择通过仅使用高压电池将电力供应至外部功耗装置的模式的情况下，当高压电池的充电量等于或小于最小充电量时，控制器可操作燃料电池并且使高压电池充电同时通过使用由燃料电池生成的电力将电力供应至外部功耗装置。
当外部功耗装置的功耗等于或高于参考值时，控制器可选择通过仅使用由燃料电池生成的电力将电力供应至外部功耗装置的模式，并且在高效率输出区间中操作燃料电池或者高压DC-DC转换器。
在选择通过仅使用由燃料电池生成的电力将电力供应至外部功耗装置的模式的情况下，当高压电池的充电量等于或小于目标充电量时，控制器可使高压电池充电同时通过使用由燃料电池生成的电力将电力供应至外部功耗装置。
一种使用根据本公开的燃料电池车辆的发电系统的发电方法，包括：检查外部功耗装置是否连接至外部功耗装置连接单元；当外部功耗装置连接至外部功耗装置连接单元时，得出外部功耗装置的功耗；并且根据外部功耗装置的功耗的大小，通过在高效率输出区间中操作燃料电池或者高压DC-DC转换器将电力供应至外部功耗装置，或者通过仅使用高压电池将电力供应至外部功耗装置。
将电力供应至外部功耗装置可包括：当外部功耗装置的功耗等于或小于参考值时，通过仅使用高压电池将电力供应至外部功耗装置。
将电力供应至外部功耗装置可包括：当外部功耗装置的功耗等于或高于参考值时，在高效率输出区间中操作燃料电池或高压DC-DC转换器的同时将电力供应至外部功耗装置，并且当高压电池的充电量等于或小于目标充电量时，使高压电池充电同时通过使用由燃料电池生成的电力将电力供应至外部功耗装置。
根据本公开的用于燃料电池车辆的发电系统和发电方法在电力被供应至外部电源系统时通过在燃料电池和高压DC-DC转换器的高效率操作区间内供应电力提供了改善整个系统效率的效果。
当外部电源系统的功耗稍低时，通过暂时停止操作燃料电池并且将高压电池的电力直接供应至外部电源系统来防止燃料电池的低功率输出和低效率操作。
通过避免燃料电池的低功率输出操作使燃料电池的高电势暴露最小化，可改善燃料电池的耐用性。
附图说明
从以下结合附图进行的详细描述中，本公开的上述和其他方面、特征和优点将变得更为显而易见，其中：
图1是根据本公开的实施方式的燃料电池车辆的发电系统的配置图；
图2示出了根据本公开的实施方式的燃料电池车辆的发电系统的另一个实施方式；
图3是根据本公开的实施方式的燃料电池车辆的发电方法的流程图；以及
图4和图5是示出了燃料电池或者高压DC-DC转换器的效率的曲线图。
具体实施方式
图1是根据本公开的实施方式的燃料电池车辆10的发电系统的配置图，图2示出了根据本公开的实施方式的燃料电池车辆10的发电系统的另一个实施方式，图3是根据本公开的实施方式的燃料电池车辆的发电方法的流程图，以及图4和图5是示出了燃料电池或者高压DC-DC转换器的效率的曲线图。
图1和图2示出了根据本公开的实施方式的燃料电池车辆10的发电系统10的配置图，并且描述了不同的实施方式。根据本公开的用于燃料电池车辆的发电系统10包括：顺序电连接燃料电池100、高压DC-DC转换器300和高压电池500的主线M；外部功耗装置连接单元900，其从主线M的高压DC-DC转换器300与高压电池500之间的点分支并且被布置为电连接至主线M；以及控制器700，当外部功耗装置50连接至外部功耗装置连接单元900时，根据外部功耗装置50的功耗，通过选择通过仅使用由燃料电池100生成的电力将电力供应至外部功耗装置50的模式、通过仅使用高压电池500将电力供应至外部功耗装置50的模式、或者用于在高效率输出区间中操作燃料电池100或高压DC-DC转换器300的模式来控制燃料电池100或高压电流转换器300。
本公开在使用用于生成电力的燃料电池车辆、以及连接至车辆的外部功耗装置50的情况下使燃料电池100的发电效率和高压电池500的能量效率最大化。
根据本公开，在包括燃料电池100、用于驱动的驱动控制器MCU 130、驱动电动机140、高压接线盒110、高压辅助机器120、高压电池500和高压DC-DC转换器300的燃料电池车辆中，当车辆具有用于将电力供应至外部功耗装置50的电力电路并且该电力电路连接在高压DC-DC转换器300与高压电池500之间时，预测外部功耗装置50的功耗，或者当每个装置提供有关电压V和电流A的多条信息时，可通过使用所提供的信号得出外部功耗装置50的功耗。
控制器700接收表示安装至外部电源端口/逆变器的外部电源装置的连接器是否连接的信号，并且当识别到该连接器被安装时，连接电源继电器以将电力供应至外部功耗装置50。
在本公开中，主线M顺序电连接燃料电池100、高压DC-DC转换器300和高压电池500。进一步地，外部功耗装置连接单元900被配置为从主线M的高压DC-DC转换器300与高压电池500之间的点分支并且电连接至主线M。图1示出了外部功耗装置连接单元900是通过继电器910连接至主线M的外部电源端口920的情况。在这种情况下，单独的外部电源逆变器30在外部连接至外部电源端口920，并且外部功耗装置50连接至外部电源逆变器30并且被使用。同时，图2示出了外部功耗装置连接单元900是连接至主线M的外部电源逆变器900的情况，并且这种情况对应于外部电源逆变器900被嵌入车辆中的情况。在这种情况下，外部功耗装置50直接连接至车辆的外部电源逆变器900并且被使用。
同时，控制器700管理能量流动。当外部功耗装置50连接至外部功耗装置连接单元900时控制器700感测外部功耗装置50的连接，然后得出外部功耗装置50的功耗。另外，根据得出的外部功耗装置50的功耗，控制器700实施通过仅使用由燃料电池100生成的电力将电力供应至外部功耗装置50的模式或者选择通过仅使用高压电池500将电力供应至外部功耗装置50的模式、或者用于在高效率输出区间中操作燃料电池100或高压DC-DC转换器300的模式。然后，控制器700根据所选择的模式控制是否操作燃料电池100或者高压DC-DC转换器300及其操作方法。
具体地，控制器700包括：存储器，存储与燃料电池100的高效率输出区间或者高压DC-DC转换器的高效率输出区间相关的数据；以及功率得出单元，得出外部功耗装置50的功耗。进一步地，控制器700的功率得出单元可以根据高压DC-DC转换器的输出功率与高压电池的充电和放电功率之差得出外部功耗装置50的功耗。
在高压电池500的充电和放电功率的情况下，功率得出单元确定充电功率对应于正数并且放电功率对应于负数，并且通过从高压DC-DC转换器300的输出功率减去高压电池500的充电和放电功率计算外部功耗装置50的功耗。
进一步地，在得出的外部功耗装置50的功耗等于或低于参考值(这意味着需要相对少量的能量)的情况下，对于能量效率，控制器700停止燃料电池100的发电。相反，控制器700可选择通过仅使用高压电池500将电力供应至外部功耗装置50的模式以从而停止燃料电池100的发电。这是因为，在可以仅通过高压电池500处理并且在燃料电池的效率曲线上不能达到高效率的少量发电的情况下，考虑到能量效率的燃料电池100的非操作更有效。
用于参考，图4和图5是示出了燃料电池100或高压DC-DC转换器300的效率的曲线图，并且示出燃料电池100和高压DC-DC转换器300中的每一个在特定的输出功率区间内具有最高效率。因此，每个区间被限定为高效率区间并且提前存储在存储器中，从而使得控制器700通过随后参考其而确定操作模式。
同时，参考值可以是燃料电池100的高效率输出区间或者高压DC-DC转换器300的高效率输出区间中的最低值。因此，当外部功耗装置50的功耗等于或小于参考值，即，燃料电池100的高效率输出区间或者高压DC-DC转换器300的高效率输出区间中的最低值时，控制器700停止具有低效率的燃料电池100的发电并且通过仅使用高压电池500将电力供应至外部。尽管当高压电池500存储能量然后释放能量时能量损耗可能根据高压电池500的充电和放电电阻损耗发生，但即使允许燃料电池操作也能更高效地停止燃料电池100的操作。
另外，在选择通过仅使用高压电池500将电力供应至外部功耗装置50的模式的情况下，当高压电池500的充电量等于或小于最小充电量时，控制器700操作燃料电池100，并且可以使高压电池500充电同时通过使用由燃料电池100生成的电力将电力供应至外部功耗装置50。即，当在通过仅使用高压电池将电力供应至外部功耗装置50过程中高压电池的充电量过低时，通过考虑到车辆的驱动或者随后的辅助机器的操作，控制器700重新操作燃料电池100以防止高压电池的劣化，并且可以使高压电池500充电同时通过使用由燃料电池100生成的电力将电力供应至外部功耗装置50。
同时，当外部功耗装置50的功耗等于或高于参考值时，控制器700选择通过仅使用由燃料电池100生成的电力将电力供应至外部功耗装置50的模式，并且在高效率输出区间中操作燃料电池100或者高压DC-DC转换器300。具体地，在选择通过仅使用由燃料电池100生成的电力将电力供应至外部功耗装置50的模式的情况下，当高压电池500的充电量等于或小于目标充电量时，控制器700使高压电池500充电同时通过使用由燃料电池100生成的电力将电力供应至外部功耗装置50，并且当高压电池500的充电量等于或高于目标充电量时，通过使用由燃料电池100生成的电力将电力供应至外部功耗装置50但是不使高压电池500充电。
因为外部功耗装置50的功耗等于或高于参考值的情况对应于燃料电池100或高压DC-DC转换器300可在高效率输出区间中操作的情况，因此控制器700在高效率输出区间中操作燃料电池100和高压DC-DC转换器300并且控制燃料电池100和高压DC-DC转换器300，使得高效率输出区间中的功率输出对应于外部功耗装置50的功耗。
进一步地，在这个过程中，当高压电池500的充电量等于或小于目标充电量时，控制器700控制燃料电池100和高压DC-DC转换器300以增加发电量，使得控制器700使高压电池充电同时通过使用由燃料电池100生成的电力将电力供应至外部功耗装置50。
换言之，如上所述，通过控制燃料电池车辆，可以防止高压电池的频繁充电和放电并且因此可以改善整体能量利用效率。这是由于当能量流动通过电池而不是直接流动至使用的地方时的情况，这在能量效率方面是不利的。此外，通过以最大效率操作燃料电池100和高压DC-DC转换器300，因此减少了热量损耗并且能量损耗被最小化。
然而，控制器700能够使高压电池始终保持它的最小适当的充电量，从而使得车辆的驾驶性能或者耐用性不受影响。
同时，图3是根据本公开的实施方式的燃料电池车辆的发电方法的流程图，且使用根据本公开的燃料电池车辆10的发电系统的发电方法包括：检查外部功耗装置50是否连接至外部功耗装置连接单元900(S100)；当外部功耗装置50连接至外部功耗装置连接单元900时(S120)，得出外部功耗装置50的功耗(S200)；并且根据外部功耗装置50的功耗的大小，通过在高效率输出区间中操作燃料电池100或者高压DC-DC转换器将电力供应至外部功耗装置50，或者通过仅使用高压电池500将电力供应至外部功耗装置50。
将电力供应至外部功耗装置50可包括：当外部功耗装置50的功耗等于或小于参考值时(S400)，通过仅使用高压电池500将电力供应至外部功耗装置50(S420)。然而，当高压电池充电量不足时(S500和S520)，再次要求燃料电池的操作。
将电力供应至外部功耗装置50可包括：当外部功耗装置50的功耗等于或高于参考值时(S320)，在高效率输出区间中操作燃料电池100或者高压DC-DC转换器300的同时将电力供应至外部功耗装置50，并且当高压电池500的充电量等于或小于目标充电量时(S300和S310)，使高压电池充电同时通过使用由燃料电池100生成的电力将电力供应至外部功耗装置50。
当由外部电源系统消耗的电力存在于燃料电池100的高效率操作区间(图4的P1_fc～P2_fc)内时，控制器700调节高压DC-DC转换器的充电功率并且将具有对应于外部功耗装置50的功耗的量的充电功率供应至电池总线端子。因为这个区间满足燃料电池100和高压DC-DC转换器的高效率区间，因此燃料电池100的电力被直接供应至外部功耗装置50，并且电池的充电和放电功率被最小化，从而改善了效率。
当高压电池的充电和放电重复时，由于高压电池的内阻而导致电压损耗，并且因此由于当存储在高压电池中的能量通过充电再次流动到外部时的电压损耗而导致能量减少至低于最初的充电能量。因此，控制器700应该控制高压电池不在短时间段内通过少量能量充电和放电。
即，当外部功耗装置50的功耗稍大时，控制器700执行配电控制，使得燃料电池100在高效率操作区间(图4的P1_fc～P2_fc)中操作并且DC-DC转换器在高效率操作区间(图5的P1_conv～P2_conv)中操作。进一步地，当外部功耗装置50的功耗稍小(小于图4的P1_fc)时，控制器700停止燃料电池100的操作，并且执行配电控制以便通过仅使用存储在高压电池中的能量供应电力。
根据本公开的用于燃料电池车辆的发电系统10和发电方法提供了当电力被供应至外部功耗装置50时，通过在燃料电池100和高压DC-DC转换器300的高效率操作区间(例如，在图4和图5中的输出功率P1与P2之间)内供应电力而改善整个系统效率的效果。
当外部功耗装置50的功耗稍低时，通过暂时停止操作燃料电池100并且将高压电池500的电力直接供应至外部功耗装置50来防止燃料电池100的低功率输出和低效率操作。
通过避免燃料电池100的低功率输出操作使燃料电池100的高电势暴露最小化，可改善燃料电池100的耐用性。
已经示出并描述了本公开的具体实施方式，但是在不偏离由所附权利要求提供的本公开的技术构思的情况下，各种变化和修改对于本领域普通技术人员来说将是显而易见的。

Claims (11)

1.一种用于燃料电池车辆的发电系统，所述发电系统包括：
主线，被配置为顺序电连接燃料电池、高压DC-DC转换器和高压电池；
外部功耗装置连接单元，被配置为从所述主线的所述高压DC-DC转换器与所述高压电池之间的点分支并且电连接至所述主线；以及
控制器，被配置为当外部功耗装置连接至所述外部功耗装置连接单元时，根据所述外部功耗装置的功耗，通过选择通过仅使用由所述燃料电池生成的电力将电力供应至外部功耗装置的模式、通过仅使用所述高压电池将电力供应至所述外部功耗装置的模式、或者用于在高效率输出区间中操作所述燃料电池或者所述高压DC-DC转换器的模式来控制所述燃料电池或者所述高压DC-DC转换器，
其中，所述控制器被配置为当所述外部功耗装置的功耗等于或小于参考值时，通过选择通过仅使用所述高压电池将电力供应至所述外部功耗装置的模式停止所述燃料电池的发电。
2.根据权利要求1所述的发电系统，其中，所述控制器包括：存储器，被配置为存储与所述燃料电池的高效率输出区间或者所述高压DC-DC转换器的高效率输出区间相关的数据；以及功率得出单元，被配置为得出所述外部功耗装置的功耗。
3.根据权利要求1所述的发电系统，其中，所述外部功耗装置连接单元是通过继电器连接至所述主线的外部电源端口。
4.根据权利要求1所述的发电系统，其中，所述外部功耗装置连接单元是连接至所述主线的外部电源逆变器。
5.根据权利要求1所述的发电系统，其中，所述控制器被配置为根据所述高压DC-DC转换器的输出功率与所述高压电池的充电或放电功率之差得出所述外部功耗装置的功耗。
6.根据权利要求1所述的发电系统，其中，所述参考值是所述燃料电池的所述高效率输出区间或者所述高压DC-DC转换器的所述高效率输出区间中的最低值。
7.根据权利要求1所述的发电系统，其中，在选择通过仅使用所述高压电池将电力供应至所述外部功耗装置的模式的情况下，所述控制器被配置为操作所述燃料电池，并且当所述高压电池的充电量等于或小于最小充电量时，使所述高压电池充电同时通过使用由所述燃料电池生成的电力将电力供应至所述外部功耗装置。
8.根据权利要求1所述的发电系统，其中，当所述外部功耗装置的功耗等于或高于参考值时，所述控制器被配置为选择通过仅使用由所述燃料电池生成的电力将电力供应至所述外部功耗装置的模式，其中，所述燃料电池或者所述高压DC-DC转换器在高效率输出区间中操作。
9.根据权利要求8所述的发电系统，其中，在选择通过仅使用由所述燃料电池生成的电力将电力供应至外部功耗装置的模式的情况下，所述控制器被配置为当所述高压电池的充电量等于或小于目标充电量时，使所述高压电池充电同时通过使用由所述燃料电池生成的电力将电力供应至所述外部功耗装置。
10.一种使用根据权利要求1所述的用于燃料电池车辆的发电系统的发电方法，所述发电方法包括以下步骤：
检查所述外部功耗装置是否连接至所述外部功耗装置连接单元；
当所述外部功耗装置连接至所述外部功耗装置连接单元时，得出所述外部功耗装置的功耗；并且
根据所述外部功耗装置的功耗的大小，通过在高效率输出区间中操作所述燃料电池或者所述高压DC-DC转换器将电力供应至所述外部功耗装置，或者通过仅使用所述高压电池将电力供应至所述外部功耗装置，
其中，将所述电力供应至所述外部功耗装置包括：当所述外部功耗装置的功耗等于或小于参考值时，通过仅使用所述高压电池将电力供应至所述外部功耗装置。
11.根据权利要求10所述的发电方法，其中，将所述电力供应至所述外部功耗装置包括：当所述外部功耗装置的功耗等于或高于参考值时，在高效率输出区间中操作所述燃料电池或者所述高压DC-DC转换器的同时将电力供应至所述外部功耗装置，并且当所述高压电池的充电量等于或小于目标充电量时，使所述高压电池充电同时通过使用由所述燃料电池生成的电力将电力供应至所述外部功耗装置。
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