CN112622703A - 燃料电池堆的性能恢复方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种车辆的燃料电池系统中的燃料电池堆的性能恢复方法。该方法包括：利用预定的堆状态判断标准，基于从车辆收集的信息，判断燃料电池堆是否处于可以执行堆性能恢复操作的状态；基于燃料电池系统的操作信息，判断车辆是否处于可以执行堆性能恢复操作的状态；以及当判断燃料电池堆处于可以执行堆性能恢复操作的状态并且车辆处于可以执行堆性能恢复操作的状态时，执行堆性能恢复操作。

Description

燃料电池堆的性能恢复方法
技术领域
本公开涉及一种燃料电池堆的性能恢复方法，更具体地，涉及一种能够恢复燃料电池堆的性能以提高燃料电池堆的耐久性的燃料电池系统的操作控制方法。
背景技术
燃料电池(fuel cell)是一种通过使燃料气体和氧化气体之间电化学反应来将燃料中的化学能转化为电能的发电装置。这种燃料电池被广泛用作工业、家庭和车辆中使用的电源。燃料电池还可用于向小型电气/电子产品或便携式装置供应电力。
目前，具有高电力密度的高分子电解质膜燃料电池(或质子交换膜燃料电池)(PEMFC)作为用于车辆的燃料电池得到了最多的研究。在高分子电解质膜燃料电池中，将氢用作燃料气体，并且将氧气或包括氧气的空气用作氧化气体。
燃料电池包括多个单电池(cell)，在单电池中燃料气体和氧化气体彼此反应以产生电能。通常，多个单电池以堆的形式堆叠并彼此串联连接以满足输出需求。
用于车辆的燃料电池需要高输出(power)。因此，为了满足电力需求，将单独产生电能的数百个单电池堆叠成堆的形式。通过将多个单电池堆叠并彼此连接而形成的电池组件被称为燃料电池堆。
高分子电解质膜燃料电池的每个单元电池(unit cell)包括：膜电极组件(MEA)，包括能够使氢离子移动的高分子电解质膜和一体地附接到高分子电解质膜的相对表面的催化剂电极层；气体扩散层(GDL)，用于向膜电极组件供应例如燃料气体和氧化气体的反应气体并传输产生的电能；垫片(gasket)，用于保持反应气体和冷却剂的气密性；紧固构件，用于保持适当的紧固压力；以及分离板(bipolar plate,BP)，用于移动反应气体和冷却剂。
膜电极组件包括能够使氢离子移动的高分子电解质膜和用于诱导作为燃料气体的氢与作为氧化气体的空气(或氧气)之间的反应的催化剂涂覆在高分子电解质膜的相对表面而构成的电极层，例如阳极(anode)和阴极(cathode)。
在燃料电池的每个单元电池中，用于使燃料气体和氧化气体均匀地分布的气体扩散层堆叠在膜电极组件的外侧，即，阳极和阴极的每个的外侧，并且用于提供反应气体和冷却剂流动的通道并将反应气体供应到气体扩散层的分离板设置在气体扩散层的外侧。
另外，用于流体密封(seal)的垫片设置在构成单元电池的部件之间。垫片可以与膜电极组件或分离板一体地形成。
上述元件构成单元电池。堆叠多个单电池，然后将用于支撑单电池的端板联接到堆叠的单电池的最外侧，并且在将单电池堆叠布置在端板之间的状态下，利用紧固构件将端板紧固到单电池，从而构成燃料电池堆。
安装在燃料电池车辆中的燃料电池系统除了包括燃料电池堆之外，还包括向燃料电池堆供应反应气体的装置。
即，燃料电池系统包括：燃料电池堆，被配置为通过反应气体的电化学反应产生电能；氢供应装置，被配置为向燃料电池堆供应用作燃料气体的氢；空气供应装置，被配置为将用作氧化气体的包括氧气的空气供应到燃料电池堆；热和水管理系统，被配置为控制燃料电池堆的工作温度并执行热和水管理功能；以及燃料电池系统控制器，被配置为控制燃料电池系统的整体操作。
在传统的燃料电池系统中，氢供应装置可以包括氢储存单元(氢箱)、调节器、氢压力控制阀和氢再循环器，空气供应装置可以包括鼓风机或空气压缩机和加湿器等，并且热和水管理系统可以包括集水器、电动水泵(冷却剂泵)、水箱和散热器等。
从氢供应装置的氢储存单元供应的高压氢被调节器减压至预定压力，然后被供应到燃料电池堆。此时，减压的氢以根据燃料电池堆的工作条件控制压力和供应量的状态被供应到燃料电池堆。
另外，在燃料电池堆中未反应的残留氢通过堆的阳极(氢电极)的出口排出或通过氢再循环器再循环到堆的阳极的入口。
氢再循环器是能够提高氢供应的可靠性和燃料电池的寿命的装置。有多种再循环方法，并且已知的有利用喷射器的方法、利用鼓风机的方法以及同时利用喷射器和鼓风机的方法。
氢再循环器通过再循环管将在燃料电池堆的阳极中未使用的未反应氢再循环到堆的阳极(氢电极)，以再利用氢。
另外，在燃料电池中，通过堆中的电解质膜移动到阳极的例如氮、水和蒸气的异物的量越多，阳极中的氢的量越少，因此反应效率降低。因此，可以打开安装在堆阳极排气管线中的氢净化阀以净化氢。
同时，燃料电池堆的耐用寿命是确保燃料电池车辆的适销性的非常重要的因素。因此，为了防止燃料电池堆的劣化并增加燃料电池堆的耐用寿命，已经竞争地进行了各种努力，并且已经对堆劣化的原因进行了各种研究。
此外，近年来，诸如公共汽车或卡车的商用车辆以及汽车越来越需要燃料电池系统。结果，能够提高燃料电池系统的耐久性的控制技术越来越成为关注的焦点。特别地，已经积极地进行了能够使燃料电池系统中的燃料电池堆的劣化最小化的研究。
结合燃料电池堆的耐久性，可以将堆劣化主要分类为可逆劣化和不可逆劣化。由于各种原因此发生劣化，并且可逆劣化的代表性原因是铂催化剂氧化物(Pt-OH)的生成。
铂催化剂氧化物在其生成的早期阶段起可逆劣化的因素的作用。然而，在氧化物持续地残留在堆中的情况下，氧化物通过意外的化学反应转变成不可逆劣化的因素，这导致堆的耐久性不可恢复地劣化。
因此，有必要去除氧化物以恢复燃料电池堆的性能。为了确保堆的耐久性，需要在适当的时间周期性地去除引起可逆劣化的氧化物的恢复操作(使耐久性的降低最小化还会导致堆效率的提高)。
作为去除氧化物以燃料电池堆的性能恢复方法，众所周知的是通过堆电位波动即电压扫描(sweeping)诱导还原反应的方法。
另外，有利的是长时间保持曝光电压低以有效地执行电压扫描方式的堆性能恢复操作，并且众所周知，在反复引起电压波动的情况下，改善效果显着。
然而，当将堆性能恢复操作方式应用于车辆时，遇到以下问题。
首先，必须判断车辆是否处于可以利用电压扫描方式执行恢复燃料电池堆的性能的操作的状态。基本上，基于车辆中燃料电池堆的特性，燃料电池堆必须根据驾驶员的要求随时输出电流。因此，为了在满足上述要求的同时执行多次电压扫描，需要用于确保堆性能恢复操作时间的准确的判断标准，并且该判断必须考虑车辆的状态和燃料电池堆的状态两者。
另外，关于控制电压扫描的手段，通常在不存在负载的状态下，难以引起电压波动，并且即使在形成电压的情况下，放电(降低电压)也需要花费长时间。因此，需要一种快速且有效地引起电压波动的手段。
另外，为了使通过恢复操作提高耐久性的效果最大化，需要将燃料电池堆长时间保持在低电压下。此外，有必要在低电压状态下连续多次执行恢复操作。然而，在由于驾驶员输出要求或车辆状况而尚未完成恢复操作的情况下，有必要对此进行判断并在下一次恢复操作中反映出来，以使恢复操作的效果最大化。
在以上背景技术部分中公开的信息是为了帮助理解本公开的背景，并且不应被认为是承认该信息构成现有技术的任何部分。
发明内容
提出本公开是为了解决与现有技术相关的上述问题，并且本公开的目的是提供一种燃料电池堆的性能恢复方法，该方法准确地判断堆是否处于可以执行堆性能恢复操作的状态以及车辆是否处于可以执行堆性能恢复操作的状态，从而适当地确保车辆行驶期间的性能恢复操作时间，并更有效地执行电压扫描和堆性能恢复。
在本公开的一方面中，一种车辆的燃料电池系统中的燃料电池堆的性能恢复方法可以包括：通过控制器，利用预定的堆状态判断标准，基于从车辆收集的信息，判断燃料电池堆是否处于可以执行堆性能恢复操作的状态；通过控制器，基于燃料电池系统的操作信息，判断车辆是否处于可以执行堆性能恢复操作的状态；以及通过控制器，当判断燃料电池堆处于可以执行堆性能恢复操作的状态并且车辆处于可以执行堆性能恢复操作的状态时，执行堆性能恢复操作。
以下讨论本公开的其它方面和优选实施例。
将理解的是，如本文所使用的术语“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(SUV)、巴士、卡车、各种商用车的乘用车，包括各种轮船和船舰的水运工具，航空器等，并包括混合动力车辆、电动车辆、插电式混合动力车辆、氢动力车辆以及其它替代燃料(例如，从除石油以外的资源衍生的燃料)车辆。如本文所参考，混合动力车辆是具有两个或更多个动力源的车辆，例如汽油动力和电动动力车辆。
以下讨论本公开的上述和其它特征。
附图说明
现在将参考在附图中示出的本公开的某些示例性实施例来详细描述本公开的上述和其它特征，附图在下文中仅以说明的方式给出，因此并不限制本公开，并且其中：
图1是示意性地示出根据本公开的一方面的执行燃料电池堆性能恢复操作的燃料电池系统的电力网结构的主要部件的视图；
图2是示出根据本公开的一方面的用于燃料电池堆性能恢复的全部过程的流程图；
图3是示出根据本公开的一方面的判断堆是否处于需要堆性能恢复操作的状态的方法的流程图；
图4是示出根据本公开的一方面的确认燃料电池停止进入次数的方法的流程图；
图5是示出根据本公开的一方面的判断车辆是否处于可以执行堆性能恢复操作的状态的方法的流程图；
图6是示出根据本公开的一方面的判断堆性能恢复操作是否已经完成并且在未完成时改变堆状态判断标准的方法的流程图；以及
图7是示出根据本公开的一方面的改变堆状态判断标准的示例的示图。
应当理解的是，附图不一定按比例绘制，而是呈现了示出本公开的基本原理的各种优选特征的某种程度的简化表示。本文所公开的本公开的具体设计特征，包括例如具体尺寸、方向、位置和形状，将部分地由特定的预期应用和使用环境来确定。
在附图中，附图标记在各个附图中始终指代本公开的相同或等同部件。
具体实施方式
在下文中，将参照附图详细描述本公开的示例性实施例，以使本领域技术人员能够容易地实施本公开。然而，本公开不限于本文公开的实施例，并且可以以各种不同的形式来实现。
除非另有说明，否则本文描述的术语“包括”和“包含”不应解释为排除其它元件，而是进一步包括这些其它元件。
首先，本公开涉及一种燃料电池堆的性能恢复方法，该方法能够通过防止安装在燃料电池车辆中的燃料电池系统的燃料电池堆的不可逆劣化来提高燃料电池堆的耐久性。
根据本公开的一方面，公开一种用于利用诸如堆电流的积分值、累积行驶距离、燃料电池停止(fuel cell stop)进入次数、电池的充电状态(SOC)、电池的可放电电力以及堆要求输出等信息来判断当前车辆是否处于可以执行恢复燃料电池堆的性能的操作的状态的逻辑。
根据本公开的一方面，公开一种利用空气压缩机和阴极耗氧(cathode oxygendepletion,COD)加热器有效地引起电压波动的方法。为了在电压波动期间在高压电池和COD加热器之间实现电隔离，还执行对主继电器的控制。
根据本公开的一方面，判断由于驾驶员输出请求或车辆的状况而尚未完成恢复操作的时间，并且将其反映在下一次堆性能恢复操作中，以使堆性能恢复操作的效果最大化。
图1是示意性地示出根据本公开的一方面的执行燃料电池堆性能恢复操作的燃料电池系统的电力网结构的主要部件的视图。
参照图1，安装在燃料电池车辆中的燃料电池系统包括：燃料电池堆10，用作车辆的主动力源(电力源)；高压电池(主电池)16，用作车辆的辅助动力源；双向高电压DC/DC转换器(BHDC)15，连接到高压电池16以控制高压电池16的输出；逆变器12，连接到燃料电池堆10和作为高压电池16的输出侧的主总线端子；驱动电机13，连接到逆变器12；以及控制器17，被配置为控制燃料电池系统的操作。
根据本公开的示例性实施例的燃料电池系统的控制器17可以是处理器(例如计算机、微处理器、CPU、ASIC、电路系统，逻辑电路等)。控制器17可以由存储例如在执行时控制燃料电池车辆的各个部件的操作的程序、软件指令再现算法等的非暂时性存储器，以及被配置为执行该程序、软件指令再现算法等的处理器来实现。这里，存储器和处理器可以被实现为单独的半导体电路。可选地，存储器和处理器可以被实现为单个集成半导体电路。处理器可以体现为一个或多个处理器。
在图1中，附图标记14表示连接到主总线端子以通过燃料电池堆10的输出(输出电流)进行操作以加热堆冷却剂的COD加热器14，附图标记18表示被配置为向燃料电池堆10供应用作氧化气体的空气的空气压缩机。这些也是燃料电池系统的部件。
根据本公开的一方面，COD加热器14和空气压缩机18可以用作在恢复燃料电池堆10的性能的操作期间扫描堆电压(以使电压波动)的装置。
如图1所示，在燃料电池系统中，作为主动力源的燃料电池堆10和作为辅助动力源的高压电池16通过主总线端子并联连接到作为系统中的负载的逆变器12/驱动电机13。
另外，连接到高压电池16的转换器15，即双向高电压DC/DC转换器(BHDC)连接到作为燃料电池堆10的输出侧的主总线端子，使得可以通过控制双向高电压DC/DC转换器15的电压(输出到主总线端子的输出电压)，来控制燃料电池堆10和高压电池16的输出。
另外，在燃料电池堆10的输出侧安装有被配置为将燃料电池堆选择性地连接到主总线端子的主继电器11。
另外，驱动电机13是被配置为驱动车辆的电机。逆变器12经由主总线端子连接到燃料电池堆10和高压电池16的输出侧，并且对从燃料电池堆10和/或高压电池16供应的电力进行相(phase)转换以驱动驱动电机13。
根据本公开的一方面，控制器17控制燃料电池系统的部件的全部操作。例如，控制器17控制主继电器11、逆变器12、COD加热器14、转换器15和空气压缩机18的操作。
根据本公开的一方面，作为堆性能恢复方法使用一种控制连接到燃料电池堆以从燃料电池堆接收电力并因此消耗燃料电池堆的电力的电负载装置，即被配置为用作相对于燃料电池堆的电负载的电负载装置的操作以扫描(sweeping)堆电压的方法。此时，电负载装置的操作由控制器17控制。
即，当控制器17在堆性能恢复操作期间输出用于扫描堆电压的控制信号时，根据控制器17输出的控制信号控制电负载装置的操作，以扫描堆电压。
如上所述，在本公开中，COD加热器14和空气压缩机18可以用作用于扫描堆电压的电负载装置，并且控制器17控制COD加热器14和空气压缩机18的操作，使得在堆性能恢复操作期间扫描堆电压。
下面将详细描述堆性能恢复操作。
图2是示出根据本公开的一方面的用于燃料电池堆性能恢复的全部过程的流程图，其中示出了根据本公开的一方面的控制燃料电池系统的用于堆性能恢复操作的过程。
根据本公开的一方面的燃料电池堆性能恢复操作由控制器17基于从车辆收集的信息来执行，并且控制器17可以是被配置为控制燃料电池系统的全部操作的燃料电池系统控制器。
根据本公开的一方面，控制器17被设置为执行图2所示的用于燃料电池堆性能恢复的全部过程并执行图3至图6中所示的每个过程的详细逻辑。
如图2所示，根据本公开的一方面的燃料电池堆的性能恢复方法包括以下过程：控制器17判断堆是否处于可以执行堆性能恢复操作的状态(S10)；控制器17判断车辆是否处于可以执行堆性能恢复操作的状态(S30)；以及当堆和车辆的每一个处于可以执行堆性能恢复操作的状态时，控制器17执行堆性能恢复操作(S40)。
另外，根据本公开的一方面的燃料电池堆的性能恢复方法可进一步包括以下过程：在判断堆是否处于可以执行堆性能恢复操作的状态的过程后，以及在判断车辆是否处于可以执行堆性能恢复操作的状态的过程前，控制器17确认燃料电池停止进入次数(S20)。
在这种情况下，仅在满足堆和车辆的每一个处于可以执行堆性能恢复操作的状态并且满足与燃料电池停止进入的次数有关的条件时，控制器17才执行后续过程，即执行堆性能恢复操作。
另外，根据本公开的一方面的燃料电池堆的性能恢复方法可以进一步包括以下过程：控制器17判断是否已经完成堆性能恢复操作(S50)；以及当尚未完成堆性能恢复操作时，控制器17改变堆状态判断标准(S60)。
根据本公开的一方面，当控制器17判断已经完成堆性能恢复操作或者改变堆状态判断标准时，控制器17结束堆性能恢复操作(S70)。
在下面的描述中，堆是指安装在燃料电池车辆中的燃料电池系统的燃料电池堆10，燃料电池停止中的燃料电池是指燃料电池堆，并且堆的性能的恢复是指燃料电池堆的性能的恢复。
另外，堆性能恢复操作可以指恢复燃料电池堆的性能的燃料电池系统的操作，并且对用于堆性能恢复的燃料电池系统的操作的控制由控制器17执行。
另外，根据本公开的一方面，电压扫描是指对燃料电池堆10的电压进行扫描，并且电压扫描和电压波动可以理解为具有相同的含义。
图3是示出根据本公开的一方面的判断堆是否处于可以执行堆性能恢复操作的状态的方法的流程图。堆处于可以执行堆性能恢复操作的状态可以指堆处于需要执行堆性能恢复操作的状态，并且为了进入堆性能恢复操作，必须首先判断堆是否处于需要执行堆性能恢复操作的状态。
根据本公开的一方面，堆性能恢复操作方式是恢复由于催化剂氧化物引起的燃料电池堆10的可逆劣化的方式，并且燃料电池堆10的使用次数越多，产生的催化剂氧化物越多。因此，在堆状态判断标准中，堆已经被使用了多少次是重要的。
因此，根据本公开的一方面，基于堆电流的积分值或以预定水平以上的堆输出行驶的车辆的累积行驶距离来判断用于进入堆性能恢复操作的堆的状态。
此时，在燃料电池系统的操作期间，控制器17计算并使用对下限值I1以上的堆电流进行积分的积分值。在图3中，I1表示该下限值，该下限值是为了去除堆电流的噪声值而在控制器17中预设的值，可以被设置为能够区分噪声值的较小值。
如上所述，根据本公开的一方面，在计算堆电流的积分值时，应用积分堆电流的下限值I1以去除噪声值，并且在堆输出即堆电流为下限值I1以上时计算堆电流的积分值(S11和S13)。
控制器17被设定为在计算堆电流的积分值时仅对下限值I1以上的堆电流(堆输出)进行积分。
另外，在计算累积行驶距离时，在车辆的行驶和燃料电池系统的操作期间，控制器17累积地计算当堆输出为预定的第一输出参考值I2以上时的车辆的行驶距离(S12和S14)。在此，堆输出可以是堆电流。
即，计算以第一输出参考值I2以上的堆电流行驶的车辆的累积行驶距离。在图3中，I2表示第一输出参考值，该第一输出参考值是用于在使用堆10时累积地计算车辆的行驶距离的值，并且可以被设置为能够表示堆输出的值。
根据本公开的一方面，如上所述，仅将当堆电流为第一输出参考值I2以上时的车辆的行驶距离累积以计算累积行驶距离。如上所述，在图3中，下限值I1和第一输出参考值I2都可以是针对堆电流设置的值。
根据本公开的一方面，可以利用堆电流的积分值或累积的行驶距离中的至少一个。当堆电流的积分值大于预定的电流积分参考值Q1或者累积行驶距离大于预定的距离参考值D1时，控制器17判断堆处于需要执行堆性能恢复操作的状态(S15)。
当判断堆处于需要执行堆性能恢复操作的状态时，控制器17重置(reset)堆电流的积分值或累积的行驶距离(S16)，并且执行用于堆性能恢复的后续过程，即，确认燃料电池停止进入次数的过程(S20)。
在图3中，Q1表示电流积分参考值，D1表示距离参考值。Q1和D1都是用于判断堆已被使用的次数的堆状态判断标准，并且基于这些值判断堆性能恢复操作的进入周期和执行周期。
已经提出了几种能够监视堆10的状态的技术，并且大多数技术利用估计堆电流-电压特性曲线中的梯度的方式。但是，为了利用该方式估计可靠的值，堆必须在各种电流区域中操作。
然而，在根据驾驶员的驾驶方式主要在局部电流区域中驾驶车辆的情况下，无法判断是否需要执行堆性能恢复操作。
在实际的商用车辆中，堆输出的突然变化会降低车辆的耐久性，并且由于在车辆中产生的大量热量，车辆可能遭受热冲击。因此，在许多情况下采用堆固定点操作策略。因此，估计堆电流-电压特性曲线中的梯度的方式不适合于判断堆状态。
图4是示出根据本公开的一方面确认燃料电池停止(Fuel Cell Stop)进入次数的方法的流程图。根据本公开的一方面，如上所述，采用一种用于通过堆电压扫描的性能恢复操作的方式。
然而，在燃料电池车辆的行驶期间，可能会发生燃料电池停止状态，并且由于在燃料电池停止状态下的自然放电，堆电压可能会降低至低电势。如上所述，在由于燃料电池停止而导致堆电压降低并且因此发生预定水平以上的电压变化的情况下，会实现堆性能恢复的效果。
因此，根据本公开的一方面，控制器17可以被设置为在燃料电池系统的操作期间的预定时间内重复发生燃料电池停止状态，并因此当堆电压降低至预定电压参考值V1以下的次数等于或大于第一预定次数C1时，判断不需要堆性能恢复操作。
如果不是这样，即，在图4的步骤S21中，当预定时间内燃料电池停止时堆电压降低到预定电压参考值V1以下的次数小于第一预定次数C1时，在预定时间之后，控制器17重置堆电压等于或小于电压参考值V1的次数(S22)，并且执行用于堆性能恢复的后续过程，即，判断车辆是否处于可以进入堆性能恢复操作的状态的过程(S30)。
在图4中，V1表示电压参考值，该电压参考值用于规定能够由于燃料电池停止而实现堆性能恢复操作的效果的电压电平，并且可以被设置为能够实现堆性能恢复操作的效果的低电压。
根据本公开的一方面，当在燃料电池停止时堆电压降低到电压参考值V1时，可以实现堆性能恢复操作的效果。特别地，在燃料电池停止时，当堆电压降低到电压参考值V1以下的次数小于第一预定次数C1时，继续执行用于堆性能恢复的后续过程。
在图4中，C1表示实现堆性能恢复操作的效果所需的最小次数，即第一预定次数C1。当在预定时间内堆电压降低到电压参考值V1以下的次数小于第一预定次数C1时，控制器17判断不能实现堆性能恢复操作的效果，并执行用于堆性能恢复的后续过程。
通常，在没有堆输出的状态下进入燃料电池停止。因此，在先前的堆状态确认过程中，当堆电流的积分值大于电流积分参考值Q1或者累积行驶距离大于距离参考值D1时，根据此时的堆输出条件，可以在某种程度上避免燃料电池停止的状态。
另外，仅由于燃料电池停止时的自然电压下降而使堆电压降低至电压参考值V1以下需要较长时间，因此在预定时间内多次发生燃料电池停止时堆电压降低到电压参考值V1以下的情况的可能性并不高。
因此，确认燃料电池停止进入次数的过程并不是在恢复燃料电池堆的性能的操作期间必须执行的必需过程。
即，当控制器17判断堆10处于需要进入堆性能恢复操作的状态时，可以配置逻辑以在确认燃料电池停止进入次数的过程之后判断车辆是否处于可以进入堆性能恢复操作的状态。与此不同，控制器17可以确认堆状态后立即确认车辆状态，而无需执行确认燃料电池停止进入次数的过程。
图5是示出根据本公开的一方面的判断车辆是否处于可以执行堆性能恢复操作的状态的方法的流程图。根据本公开的一方面，控制器17被设置为根据图5中所示的逻辑来确认车辆是否处于可以执行堆性能恢复操作的状态。
即，当过程S10中判断堆处于需要进入性能恢复操作的状态，并且在过程S20中确认燃料电池停止进入次数并判断堆处于需要执行堆性能恢复操作的状态时，控制器17在随后的过程S30中判断车辆是否处于可以执行堆性能恢复操作的状态(参见图2)。
由于车辆基本上必须产生驾驶员期望的输出，因此确认在没有堆10的输出的情况下车辆是否可以行驶，并且必须在没有堆输出的情况下车辆可以行驶时，在后续过程中执行堆性能恢复操作。
在该过程中，控制器17确认在没有堆10的输出的情况下车辆是否可以行驶。如果在没有堆10的输出的情况下车辆可以行驶，则控制器17判断车辆处于可以执行堆性能恢复操作的状态。
参照图5，示出了判断车辆是否处于可以执行堆性能恢复操作的状态的过程的详细步骤。
如图5所示，控制器17判断车辆是否在启动(key on)状态下行驶(S31)，并且在车辆行驶的情况下，将连接到驱动电机以向驱动电机供应电力的高压电池(主电池)16的SOC与预定的第一SOC参考值S1进行比较(S32)。
这里，当高压电池16的SOC等于或大于第一SOC参考值S1时，控制器17将高压电池16的可放电电力与预定的第一电力参考值W1进行比较(S33)。
随后，当高压电池16的可放电电力等于或大于第一电力参考值W1时，控制器17将在燃料电池系统操作时确定的当前的堆要求输出与预定的第二输出参考值I3进行比较(S34)。随后，当堆要求输出小于第二输出参考值I3时，控制器17判断车辆处于即使车辆正在行驶也可以执行堆性能恢复操作的状态。
即，当车辆将在启动状态下行驶的条件、高压电池16的SOC等于或大于第一SOC参考值S1的条件、高压电池16的可放电电力等于或大于第一电力参考值W1的条件以及堆要求输出小于第二输出参考值I3的条件全部满足时，控制器17判断车辆处于即使车辆正在行驶也可以执行堆性能恢复操作的状态。
另一方面，当车辆处于熄火(key off)状态而不是行驶状态时，控制器17将高压电池16的SOC与第二SOC参考值S2进行比较(S35)，并且当高压电池16的SOC等于或大于第二SOC参考值S2时，判断车辆处于可以执行堆性能恢复操作的状态。
如上所述，控制器17确认车辆是否正在行驶、车辆是否处于启动/熄火(on/off)状态、高压电池(主电池)16的SOC、高压电池16的可放电电力以及堆要求输出，以判断车辆是否处于可以执行堆性能恢复操作的状态。
这里，堆要求输出作为由燃料电池系统的操作信息确定的值，可以指堆所要求的电流值。根据燃料电池系统的操作信息确定当前堆要求输出的方法在本领域中是已知的，并且将省略其详细描述。
在图5中，S1表示第一SOC参考值。当车辆在启动状态下行驶时，控制器17仅当高压电池16的SOC等于或大于第一SOC参考值S1时才判断可以执行堆性能恢复操作。
高压电池16的SOC是否等于或大于第一SOC参考值S1是关于在没有堆10的输出的情况下车辆是否可以利用高压电池16行驶的信息。高压电池16的SOC越高，性能恢复操作时间越长。
然而，在将第一SOC参考值S1设置为过高值而无法在行驶期间达到的情况下，可能无法进行堆性能恢复操作，因此需要将第一SOC参考值S1设置为适当的值(例如，S1＝60％)。
在图5中，W1表示第一电力参考值，该第一电力参考值是在控制器17中设置以判断车辆可以利用高压电池16行驶的值，并且可以被设置为等于或大于驱动电机13的平均要求输出的值。
根据本公开的一方面，当高压电池16的可放电电力等于或大于第一电力参考值W1时，控制器17判断车辆可以利用高压电池16来行驶。
在图5中，I3表示第二输出参考值，该第二输出参考值I3与堆要求输出进行比较，并且在控制器17中设置为低值，以判断车辆要求的输出可以由高压电池16提供并且堆要求输出很小(例如，第二输出参考值＝5A)。
在图5中，S2表示第二SOC参考值。当车辆不行驶并且处于熄火状态时，当高压电池16的SOC等于或大于第二SOC参考值S2时，控制器17判断可以执行堆性能恢复操作。
在车辆不行驶的熄火状态下，只需确保执行堆性能恢复操作(空气压缩机开启/关闭控制等)所需的电池的低SOC就足够，因此第二SOC参考值S2可以被设置为低于第一SOC参考值S1的值(例如，S2＝25％)。
图6是示出根据本公开的一方面的判断堆性能恢复操作是否已经完成并且在未完成时改变堆状态判断标准的方法的流程图。
如图1所示，当满足堆和车辆的每一个都处于可以执行堆性能恢复操作的状态并且满足与燃料电池停止进入次数有关的条件时，控制器17执行预定的堆性能恢复操作过程。
根据本公开的一方面，可以通过操作COD加热器14并同时重复地控制空气压缩机18的开/关以扫描堆电压来实现堆性能恢复。
即，当满足堆处于可以执行堆性能恢复操作的状态时，在确认燃料电池停止进入次数的结果满足预定条件时，以及当满足车辆处于可以执行堆性能恢复操作的状态时，控制器17执行图6所示的堆性能恢复操作。
在堆性能恢复操作过程中，首先，将车辆行驶模式切换为高压电池行驶模式(用于行驶的堆输出受到限制)(S41)。高压电池行驶模式是车辆通过电池放电行驶的模式，并且是利用高压电池16的充电电力而不是燃料电池堆10的发电电力来驱动驱动电机13使得车辆行驶的模式。
随后，控制器17关闭燃料电池系统的主继电器11(S42)，开启COD加热器14(S43)，对COD加热器进行冷却控制(S44)，并且将氢供应压力控制为预定目标压力H1以上(S45)。
此时，当通过控制器17关闭主继电器时，当COD加热器开启时从高压电池16形成的电路径可能被阻断。
如上所述，当在主继电器11关闭的状态下执行堆性能恢复操作的同时开启COD加热器14时，可以将COD加热器14用作消耗堆电力的电负载。
另外，COD加热器14的冷却控制过程可以是控制COD加热器的温度以防止COD加热器发生过热的过程。在COD加热器14的冷却控制的同时，控制器17使冷却剂泵(未示出)以预定转速(RPM)以上的转速操作，并控制冷却剂旁通阀的操作以保持其朝向COD加热器的开度处于预定水平。
此时，基于COD加热器14的发热能力，将冷却剂泵的转速和冷却剂旁通阀朝向COD加热器的开度设定为防止在执行堆性能恢复操作时COD加热器发生过热。
另外，控制器17控制氢压力控制阀(未示出)等以将供应到燃料电池堆10的氢的压力即氢供应压力保持在预定目标压力H1以上。在堆性能恢复操作期间，将氢供应压力保持在产生堆电压以及由于作为负载的COD加热器14的操作而产生电流所需的压力就足够。
因此，可以将堆性能恢复操作期间的目标压力H1设置为正常操作时的基本目标压力水平的值(例如，目标压力＝130kPa)。
另外，在执行COD加热器14的冷却控制的状态下，控制器17扫描堆电压以恢复堆性能。为了扫描堆电压，对空气压缩机18进行开启/关闭控制(S46)。
即，控制器17控制空气压缩机18的操作，使得空气压缩机18被交替地开启和关闭。当空气压缩机开启时，仅向堆10供应能够产生电压的空气量就足够，因此，空气压缩机18被控制在正常操作时的基本操作水平。
另外，当控制器17控制空气压缩机18的操作以使得空气压缩机18被交替地开启和关闭时，可以单独地应用开启和关闭的每一个的保持时间。为了使堆性能恢复操作的效果最大化，保持低电势的时间很重要，因此可以将关闭保持时间设置为长于开启保持时间。
在反复控制空气压缩机18开启和关闭时，控制器17对空气压缩机的开启/关闭控制的执行次数进行计数。基本上，当图6的步骤S52中计数的空气压缩机的开启/关闭控制的执行次数达到第二预定次数C2时，控制器17判断堆性能恢复操作已经完成。
另外，在反复地控制空气压缩机18开启和关闭的同时，控制器17根据从车辆收集的燃料电池系统的操作信息来判断是否满足堆性能恢复操作中断条件(S51)。
当满足堆性能恢复操作中断条件时，判断堆性能恢复操作是否已经完成(S52)。即使在步骤S51中满足了堆性能恢复操作中断条件并且因此必须中断堆性能恢复操作，当在步骤S52中判断堆性能恢复操作尚未完成时，控制器17在步骤S60中改变堆状态判断标准后结束堆性能恢复操作(S70)。
另一方面，当在步骤S51中判断满足堆性能恢复操作中断条件时，并且当在步骤S52中判断堆性能恢复操作已经完成时，控制器17不改变堆叠状态判断标准而立即结束堆性能恢复操作(S70)。
当在堆性能恢复操作期间在步骤S51中判断不满足堆性能恢复操作中断条件时，控制器17保持堆性能恢复操作，直到完成堆性能恢复操作为止(步骤S53的“否”)。此时，控制器17对空气压缩机18的开启/关闭控制的执行次数进行计数，并且当在步骤S53中计数的空气压缩机18的开启/关闭控制的执行次数达到第二预定次数C2时，判断堆性能恢复操作已经完成，并且结束堆性能恢复操作(S70)。
根据本公开的一方面，堆性能恢复操作中断条件可以是堆性能恢复操作期间的堆要求输出等于或大于第三输出参考值的条件、高压电池16的SOC小于第三SOC参考值的条件或者高压电池16的可放电电力小于第二电力参考值的条件。
即，根据本公开的一方面，在空气压缩机18被反复控制以开启和关闭以扫描堆电压的堆性能恢复操作过程中，控制器17将堆要求输出与第三输出参考值进行比较，将高压电池16的SOC与第三SOC参考值进行比较，并将高压电池16的可放电电力与第二电力参考值进行比较。当堆要求输出等于或大于第三输出参考值、高压电池16的SOC小于第三SOC参考值或者高压电池16的可放电电力小于第二电力参考值时，控制器17判断满足堆性能恢复操作中断条件。
如上所述，当判断在堆性能恢复操作期间满足堆性能恢复操作中断条件时，控制器17结束堆性能恢复操作。此时，当在堆性能恢复操作开始之后的空气压缩机18的开启/关闭控制的执行次数小于第二预定次数C2时，控制器17判断堆性能恢复操作尚未完成，改变用于下一堆性能恢复操作的堆状态判断标准(S60)，并结束堆性能恢复操作(S70)。
然而，当满足堆性能恢复操作中断条件时，当空气压缩机18的开启/关闭控制的执行次数已经达到第二预定次数C2时，控制器17判断堆性能恢复操作已经完成，并且立即结束堆性能恢复操作，而不改变堆状态判断标准(S70)。
在堆性能恢复操作中断条件中，第三输出参考值是用于判断由于堆性能恢复操作而需要堆输出的情况的参考值，并且可以在控制器17中设置为高于在图5的车辆状态判断过程的步骤S34中的第二输出参考值I3的值。
在堆性能恢复操作中断条件中，第三SOC参考值是用于判断高压电池16的SOC过度降低的参考值。当持续执行堆性能恢复操作并且因此高压电池16的SOC过度降低时，在高压电池行驶模式下的正常操作可能是不可能的。
因此，当高压电池16的SOC小于第三SOC参考值时，控制器17判断满足堆性能恢复操作中断条件，并结束堆性能恢复操作以防止在高压电池行驶模式下不可能进行正常操作。
根据本公开的一方面，第三SOC参考值S3必须在控制器17中设置为低于在图5的车辆状态判断过程的步骤S32中的第一SOC参考值S1的值，并可以被设置为与在图5的车辆状态判断过程的步骤S35中的第二SOC参考值S2相同的值，或者比第二SOC参考值S2小预定值以下的值(例如，S2和S3＝25％)。
在电池堆性能恢复操作中断条件中，第二电力参考值是用于判断高压电池16的可放电电力过度降低的参考值。当高压电池16的可放电电力过度降低时，在高压电池行驶模式下的正常操作可能是不可能的。
因此，当高压电池16的可放电电力小于第二电力参考值时，控制器17判断满足堆性能恢复操作中断条件，并结束堆性能恢复操作以防止在高压电池行驶模式下不可能进行正常操作。
根据本公开的一方面，高压电池16的可放电电力是根据高压电池16的温度和电压等而可改变的，并且控制器17可以基于由诸如传感器的检测元件收集的关于高压电池16的温度和电压的信息来确定高压电池16的可放电电力。
确定高压电池16的可放电电力的方法在本领域中是已知的，并且将省略其详细描述。
根据本公开的一方面，第二电力参考值可以在控制器17中设置为低于在图5的车辆状态判断过程的步骤S33中的第一电力参考值W1的值。
根据本公开的一方面，可以以这样的方式来定义空气压缩机的开启/关闭控制的执行次数，即，当空气压缩机18的开启和关闭分别被保持了各自的预定保持时间一次时，空气压缩机的开启/关闭控制的执行次数为1。
另外，第二预定次数C2是被设置为判断堆性能恢复操作是否已经完成的次数。如上所述，当空气压缩机的开启/关闭控制的执行次数已经达到第二预定次数C2时，控制器17可以判断堆性能恢复操作已经完成。
结束堆性能恢复操作是指返回到执行堆性能恢复操作之前的状态。当堆性能恢复操作结束时，在图6的堆性能恢复操作时开始的所有步骤S41至S46都结束，并且切换到正常行驶模式。
同时，即使满足预定的堆性能恢复操作中断条件并因此必须结束堆性能恢复操作，当空气压缩机18的开启/关闭控制的执行次数未达到第二预定次数C2时，即，当堆性能恢复操作尚未完成时，执行步骤S60中的堆状态判断标准的改变。
此时，当尚未完成堆性能恢复操作时，改变堆状态判断标准，使得下一次堆性能恢复操作比这一次更早执行。这里，堆状态判断标准可以是作为用于在图3的堆状态判断过程中判断堆电流的积分值的标准的电流积分参考值Q1、作为用于判断累积的行驶距离的标准的距离参考值D1或者电流积分参考值Q1和距离参考值D1两者。
图7是示出根据本公开的一方面的改变堆状态判断标准的示例的图。在图7的图中，最小基准可以是电流积分参考值Q1的下限值或距离参考值D1的下限值。
根据本公开的一方面，当即使满足堆性能恢复操作中断条件但空气压缩机18的开启/关闭控制的执行次数尚未达到第二预定次数C2时，可以将参考值Q1和D1减小预定值，使得下一次堆性能恢复操作比这一次更早执行。
根据本公开的一方面，如果用于堆状态判断的参考值被设置为非常小的值，则在尚未完成堆性能恢复操作之后，可能过于频繁地进入恢复操作。因此，通过初步测试和评估过程来设置预定水平以上的适当参考值。
两个参考值Q1和D1可以被设置为不同的值。图7的曲线图出了两个参考值的示例。
从以上描述显而易见的是，根据本公开的一方面的燃料电池堆的性能恢复方法，能够准确地判断堆是否处于可以执行堆性能恢复操作的状态以及车辆是否处于可以执行堆性能恢复操作的状态，从而适当地确保了车辆行驶期间的性能恢复操作时间，能够更有效地执行电压扫描和堆性能恢复，并且能够抑制燃料电池堆的不可逆劣化，从而提高燃料电池堆的耐久性。
参考本公开的优选实施例详细描述了本公开。但是，本领域技术人员将理解的是，可以在不脱离本公开的原理和宗旨的情况下对这些实施例进行改变，本公开的范围由所附权利要求书及其等同内容限定。

Claims (20)

1.一种车辆的燃料电池系统中的燃料电池堆的性能恢复方法，包括：
通过控制器，利用预定的堆状态判断标准，基于从所述车辆收集的信息，判断所述燃料电池堆是否处于可以执行堆性能恢复操作的状态；
通过所述控制器，基于燃料电池系统的操作信息，判断所述车辆是否处于可以执行所述堆性能恢复操作的状态；以及
通过所述控制器，当判断所述燃料电池堆处于可以执行所述堆性能恢复操作的状态并且所述车辆处于可以执行所述堆性能恢复操作的状态时，执行所述堆性能恢复操作。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，
判断所述燃料电池堆是否处于可以执行堆性能恢复操作的状态包括：
在所述燃料电池系统的操作期间，计算通过对从所述燃料电池堆输出的电流进行积分而获得的堆电流的积分值；
将所计算的堆电流的积分值与作为堆状态判断标准的电流积分参考值进行比较；以及
当所计算的堆电流的积分值大于所述电流积分参考值时，判断所述燃料电池堆处于可以执行所述堆性能恢复操作的状态。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，
所述控制器仅对在所述燃料电池系统的操作期间的预定的下限值以上的堆电流进行积分，以计算所述堆电流的积分值。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，
判断所述燃料电池堆是否处于可以执行堆性能恢复操作的状态包括：
在车辆行驶和燃料电池系统的操作期间，计算通过累积当燃料电池堆的输出等于或大于预定的第一输出参考值时的车辆行驶距离而获得的累积行驶距离；
将所判断的累积行驶距离与作为堆状态判断标准的距离参考值进行比较；以及
当所判断的累积行驶距离大于所述距离参考值时，判断所述燃料电池堆处于可以执行所述堆性能恢复操作的状态。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，
判断所述燃料电池堆是否处于可以执行堆性能恢复操作的状态包括：
在车辆行驶和燃料电池系统的操作期间，计算通过对从所述燃料电池堆输出的电流进行积分而获得的堆电流的积分值，并计算通过累积当燃料电池堆的输出等于或大于预定的第一输出参考值时的车辆行驶距离而获得的累积行驶距离；
将所计算的堆电流的积分值与作为堆状态判断标准的电流积分参考值进行比较，并将所判断的累积行驶距离与作为堆状态判断标准的距离参考值进行比较；以及
当所计算的堆电流的积分值大于所述电流积分参考值时或者当所计算的累积行驶距离大于所述距离参考值时，判断所述燃料电池堆处于可以执行所述堆性能恢复操作的状态。
6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
通过所述控制器，当判断所述燃料电池堆处于可以执行所述堆性能恢复操作的状态时，确认燃料电池停止进入次数；以及
通过所述控制器，在所述燃料电池系统的操作期间，当判断满足与确认燃料电池停止进入次数相关的预定条件时，判断所述车辆是否处于可以执行所述堆性能恢复操作的状态。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，
确认燃料电池停止进入次数包括：
判断当在所述燃料电池系统的操作期间在预定时间内发生的燃料电池停止时的堆电压等于或小于预定的电压参考值的次数是否小于第一预定次数；以及
当所述堆电压等于或小于所述电压参考值的次数小于所述第一预定次数时，判断满足与确认燃料电池停止进入次数相关的所述条件。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，
判断所述车辆是否处于可以执行所述堆性能恢复操作的状态包括：
基于所述车辆是否处于行驶状态、连接到驱动电机以向所述驱动电机供应电力的电池的充电状态即SOC和可放电电力以及堆要求输出，判断所述车辆是否处于可以执行所述堆性能恢复操作的状态。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，
在所述车辆处于行驶状态的条件、所述电池的SOC等于或大于预定的第一SOC参考值的条件、所述电池的可放电电力等于或大于预定的第一电力参考值的条件以及所述堆要求输出小于预定的第二输出参考值的条件下，
所述控制器判断所述车辆处于可以执行所述堆性能恢复操作的状态。
10.根据权利要求8所述的方法，其中，
在当所述车辆处于熄火状态并且不处于行驶状态时所述电池的SOC等于或大于预定的第二SOC参考值的条件下，
所述控制器判断所述车辆处于可以执行堆性能恢复操作的状态。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，
执行所述堆性能恢复操作包括：
将所述车辆的行驶模式切换为电池行驶模式，在所述电池行驶模式中，所述车辆利用电池的充电电力驱动驱动电机来行驶；
关闭主继电器；以及
控制连接到所述燃料电池堆的电负载装置的操作以扫描所述燃料电池堆的电压，以恢复所述燃料电池堆的性能。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，
所述电负载装置包括：
COD加热器，加热堆冷却剂；以及
空气压缩机，向所述燃料电池堆供应用作氧化气体的空气。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，
在所述堆性能恢复操作期间，
所述控制器开启所述COD加热器以扫描所述燃料电池堆的电压，执行利用所述堆冷却剂的所述COD加热器的冷却控制，并执行所述空气压缩机的开启/关闭控制，其中所述空气压缩机被控制为交替地开启和关闭。
14.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
通过所述控制器，在所述堆性能恢复操作期间，判断是否满足预定的堆性能恢复操作中断条件；
通过所述控制器，当判断满足所述堆性能恢复操作中断条件时，判断所述堆性能恢复操作是否已完成；以及
通过所述控制器，当判断所述堆性能恢复操作尚未完成时，改变所述堆状态判断标准并结束所述堆性能恢复操作。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，
判断是否满足预定的堆性能恢复操作中断条件包括：
在所述堆性能恢复操作期间，当满足堆要求输出小于预定的第三输出参考值的条件、连接到驱动电机以向所述驱动电机供应电力的电池的充电状态即SOC小于预定的第三SOC参考值的条件和所述电池的可放电电力小于第二电力参考值的条件中的至少一个时，判断满足所述堆性能恢复操作中断条件。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，
在所述堆性能恢复操作期间，当用于扫描所述燃料电池堆的电压的空气压缩机的开启/关闭控制的执行次数小于第二预定次数时，
所述控制器判断所述堆性能恢复操作尚未完成。
17.根据权利要求14所述的方法，其中，
当判断所述堆性能恢复操作已经完成时，
所述控制器结束所述堆性能恢复操作而不改变所述堆状态判断标准。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，
在所述堆性能恢复操作期间，当用于扫描所述燃料电池堆的电压的空气压缩机的开启/关闭控制的执行次数达到第二预定次数时，
所述控制器判断所述堆性能恢复操作已经完成。
19.根据权利要求16所述的方法，进一步包括：
通过所述控制器，当判断不满足所述堆性能恢复操作中断条件时，判断所述堆性能恢复操作是否已完成；
通过所述控制器，当判断所述堆性能恢复操作尚未完成时，保持所述堆性能恢复操作；以及
通过所述控制器，当判断所述堆性能恢复操作已经完成时，结束所述堆性能恢复操作。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，
在所述堆性能恢复操作期间，当所述空气压缩机的开启/关闭控制的执行次数达到所述第二预定次数时，
所述控制器判断所述堆性能恢复操作已经完成。
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