CN113506897A - 燃料电池系统控制器和相关的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃料电池系统控制器和相关的方法。本公开涉及一种燃料电池堆栈和相应的操作燃料电池堆栈的方法。该方法包括：确定可从燃料电池堆栈中提取的最大允许电流；基于燃料电池堆栈的主要允许电流斜坡速率和实际测量电流，反复确定主要最大允许电流的变化的幅度；根据周期性地确定的变化的幅度更新最大允许电流；以及根据主要最大允许电流控制燃料电池堆栈的操作参数。

Description

燃料电池系统控制器和相关的方法

本申请是2016年9月28日提交的题为“燃料电池系统控制器和相关的方法”的中国专利申请201680065111.8的分案申请。

技术领域

本公开涉及燃料电池系统的控制器和相关的方法，并且特别地(虽然并非仅仅)涉及用于高负载应用(诸如为交通工具供电)的燃料电池系统。

背景技术

在交通工具应用中，取决于交通工具使用中的变化，燃料电池堆栈上的电负载可以明显地和迅速地改变。例如，当停下或停放交通工具时，电负载(诸如电机)的需求可以忽略，但如果交通工具的司机决定急剧加速离开，则几乎立即上升到相对高的值。如果电负载试图从燃料电池系统中提取比它在任何给定情况下可以提供的更多的动力，则燃料电池堆栈的电池电压可以被降低到跳闸电平，或者燃料电池堆栈的热耗散可以导致燃料电池堆栈的温度超过热跳闸电平。这些情况中的任何一种都可以导致作为有效的电源的燃料电池系统故障，并导致交通工具的全部的动力损失。从交通工具应用的安全角度，这种可能性可以是完全不可接受的。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种操作燃料电池系统的方法，包括：

确定可以从燃料电池系统中提取的最大允许电流；

基于燃料电池系统的主要允许电流斜坡速率和实际测量电流，反复确定主要最大允许电流的变化的幅度；

根据反复确定的变化的幅度更新最大允许电流；以及

根据主要最大允许电流控制燃料电池系统的操作参数。

为了允许燃料电池系统上的外部电负载以提取出在燃料电池系统的能力范围内提供的动力的量，需要电流限制的导出。

控制燃料电池系统的操作参数的步骤可以包括控制燃料电池系统上的电负载。确定的变化的幅度包括增量或减量。可以根据对应于主要允许电流斜坡速率的变化的幅度和通过电流负载要求指示的变化的幅度中的较小的来确定变化的幅度。确定的值可以作为增量被应用到最大允许电流。可以根据对应于燃料电池系统中的一个或更多个燃料电池的干燥时间的时间段确定变化的幅度。干燥时间可以是湿润电池变成足够干燥将耗费的时间段，当受零电流和无强制通风影响时，进一步干燥不会产生进一步的性能下降。该方法可以进一步包括根据实际测量电流和目前主要电流斜坡速率以及以下内容中的至少一个周期性地确定允许电流斜坡速率的步骤：用于系统的额定的最大电流；基于燃料和/或氧化剂输送系统的能力的最大斜坡速率；对应于燃料电池系统中的一个或更多个燃料电池的干燥时间的时间段；以及对应于燃料电池系统中的一个或更多个燃料电池的湿润时间的时间段。额定的最大电流可以包括用于燃料电池系统的物理配置的预定最大电流。允许电流斜坡速率可受表示当前速率增加的水平的最小电流斜坡速率的影响，其将确保捕获由一个或更多个燃料电池过度干燥引起的系统中的欠电压事件。该方法可以进一步包括在以下内容中的一个或更多个的事件中抑制最大允许电流增加的步骤：(i)一个或更多个电池的温度超过预定温度阈值；(ii)一个或更多个电池电压低于预定电池电压阈值；(iii)多个电池电压超过预定范围。该方法可以进一步包括根据以下内容中的一个或更多个确定最大允许电流：(i)全部的系统运行时间；(ii)燃料电池系统已受到的完整停止-开始循环的总数的计数；(iii)低于预定低湿度阈值的环境湿度；(iv)低于预定低温度阈值的环境温度；(v)超过预定高温度阈值的环境温度；以及(vi)系统电压。该方法可以进一步包括根据一个或更多个电池电压与最小电池电压阈值的接近度和/或系统温度与最高温度限制的接近度确定最大允许电流。该方法可以利用比例积分控制器以限制最大允许电流，以便防止一个或更多个电池电压低于电压阈值。该方法可以利用比例积分控制器以限制最大允许电流，以便防止一个或更多个堆温度测量值高于最高温度限制。该方法可以进一步包括确定最大允许电流不低于预定最小电流限制。该方法可以进一步包括在下面内容中的一个或更多个的事件中越过最大允许电流的步骤：(i)系统进入关机过程；(ii)系统的一个或更多个燃料电池与负载隔离。该方法可以进一步包括根据系统的寄生电流负载修改最大允许电流。

根据另一方面，提供一种配置为执行上述方法中的任何一项的控制器。

根据另一方面，提供一种燃料电池系统，包括：串联或并联布置的一个或更多个燃料电池；以及控制器。一个或更多个燃料电池可以是空冷燃料电池。

根据另一方面，提供一种包括燃料电池系统的交通工具，该燃料电池系统布置为所述交通工具提供动力。

根据另一方面，提供一种用于指示控制器以执行上述方法的计算机程序。

可以提供一种计算机程序，该计算机程序在计算机上运行时，导致计算机以配置包括本文公开的电路、控制器或设备的任何装置或执行本文公开的任何方法。计算机程序可以是软件实现并且计算机可以被考虑为包括数字信号处理器、微控制器和只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)或电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)形式的实现的任何合适的硬件，其为非限制性的示例。该软件可以是汇编程序。

可以在计算机可读介质上提供计算机程序，该计算机可读介质可以是诸如磁盘或存储器设备的物理计算机可读介质，或者可以体现为瞬态信号。这种瞬态信号可以是包括因特网下载的网络下载。

附图说明

现在参考附图仅以示例的方式给出说明书，其中：

图1示出了燃料电池系统和外部电负载的示意图；

图2示出了控制图1的燃料电池系统的流程图；

图3示出了用于确定燃料电池系统(诸如图1的燃料电池系统)的更新的允许电流斜坡速率的逻辑布置；

图4示出了用于确定燃料电池系统(诸如图1的燃料电池系统)的燃料电池条件的逻辑布置；

图5示出了用于确定燃料电池系统(诸如图1的燃料电池系统)的环境降额电流限制的逻辑布置；

图6示出了确定用于燃料电池系统(诸如图1的燃料电池系统)的初始电流限制的逻辑布置；

图7示出了燃料电池系统上的负载和使用图6的逻辑布置计算的相应的初始电流限制的曲线；

图8示出了用于确定燃料电池系统(诸如图1的燃料电池系统)的总系统电流限制的逻辑布置；以及

图9示出了用于确定燃料电池系统(诸如图1的燃料电池系统)的净(net)系统电流限制的逻辑布置。

具体实施方式

图1示出了用于交通工具和外部电负载102(诸如交通工具的电机或其他车载系统)的燃料电池系统100的示意图。燃料电池系统100包括燃料电池堆栈104和限制计算器106。燃料电池堆栈104被配置为将动力提供至外部电负载102。限制计算器106被配置为从燃料电池系统100接收信号，并基于接收的信号确定负载可从燃料电池堆栈中提取的电流的量的限制。限制计算器106可被配置为通过考虑堆栈条件(例如，诸如堆栈和环境温度、水化水平和斜坡速率)计算电流限制。在一些示例中，比例积分控制器可以被使用为限制计算器106以限制电流限制，以便防止一个或更多个电池电压低于电压阈值，或以便防止一个或更多个堆栈温度测量值高于最高温度限制。

一个重要的堆栈条件是燃料电池膜的水化状态。通常，燃料电池堆栈的性能(以及因此它能产生的动力)随着膜中水含量增加而增加。这是由于因为导电水的存在，电池的电阻抗下降。因此，幸运的是燃料电池堆栈104作为电化学过程的副产物产生水，该电化学过程将氢和氧结合以在电池阴极(暴露氧的侧面)上形成水。由于电流流动产生的水使燃料电池108水化。

相反，增加流过燃料电池堆栈104的电流的过程以及电池的极化特性导致电压从理论开路电压(通常为1.23v/电池)降低到较低的操作电压(通常为0.7v/电池)。这种丢失的势能是由相当于丢失的电势的热耗散引起的。因此，由此可知增加的发电将导致热耗散几乎相等的增加，其必须由燃料电池系统管理。可以在空冷燃料电池堆栈上通过改变空气质量实现热耗散，该空气为鼓风机或风扇移动通过燃料电池堆栈(包括暴露阴极)的空气，以便当负载电流改变时维持电化学反应的可接受操作温度。这种空气穿过温暖湿润的表面的通路，必然会导致表面干燥，通过蒸发将水从燃料电池堆栈中移除。由此可知燃料电池堆栈104的水化，以及因此使用该堆栈104的系统100的效率和性能，都会受到在操作负载和环境条件中变化导致的改变湿润和干燥事件的影响。

堆栈水化条件可以通过诸如电化学阻抗波谱(EIS)的方法来确定，该方法能够使用调制到电负载102上的电信号的特定频率，以便确定可归因于电池108中水的存在的电池108的阻抗。在现实中，这种系统是复杂的，并且可能超出了实际应用的成本、重量和体积需求。反而，用于确定限制电流的方法的示例可以基于来自燃料电池系统100的可容易获得的若干测量参数以及可以基于燃料电池堆栈的特性报告数据的一些常数和计算。

负载控制器107与外部电负载104相关联。负载控制器107被配置为从限制计算器106接收电流限制，并根据接收的电流限制控制外部电负载104。电流限制通过CAN总线(例如，交通工具动力传动系)可以被提供至负载控制器107。负载控制器107可以使用电流限制来限制DC/DC转换器(未示出)获取比燃料电池系统100可以承受的更多的电流用于电负载104。

本示例中的燃料电池堆栈104包括串联堆栈的多个空冷燃料电池108。替换性地，燃料电池堆栈可以包括仅单个燃料电池或并联提供的多个燃料电池。燃料电池系统100可以包括强制通风设备，诸如鼓风机或风扇，以便将空气提供至燃料电池108。作为进一步替代，可以提供燃料电池的平面阵列而不是堆栈104。

图2示出了可以由图1的限制计算器和负载控制器执行的方法200。

方法200包括确定202可从燃料电池堆栈中提取的最大允许电流。随后，基于主要允许电流斜坡速率和燃料电池堆栈的实际测量的电流确定204主要最大允许电流的变化的幅度。确定204主要最大允许电流中变化的幅度可以反复地或者周期性地执行。在每次确定204之后，根据确定的变化的幅度更新206最大允许电流。随后，根据主要最大允许电流控制208燃料电池堆栈的操作参数。控制208燃料电池堆栈的操作参数可以包括控制燃料电池堆栈上的外部电负载。

下面参考图3至图9的逻辑布置示意图进一步详细描述了方法200的实现步骤的示例。在图3至图9中，输入变量用“I”标记，输出变量用“O”标记。预置变量或常量既不用“I”也不用“O”标记。

图3示出了用于确定更新的允许电流斜坡速率(SystemCurrentRampRate)302的逻辑布置300，该更新的允许电流斜坡速率被使用为后续逻辑布置示意图中的输入。

总的来说，通过将主要系统电流斜坡速率(PrevailingSystemCurrentRampRate)添加到从当堆栈完全干燥时的干燥电流310和当堆栈完全湿润时的湿润电流312之间的差308中确定的电流差值306确定SystemCurrentRampRate 302。当在更潮湿的环境中提取附加的电流或者运行使得对堆栈的增加的性能很少或没有变化时，例如，发电中小于1％的变化，堆是“完全湿润的”。当在20℃处的相对湿度为50％的“通常的”环境中风扇继续运行，并且堆栈处于未加载状态不会导致进一步的阻抗增加时，堆是“完全干燥的”。例如，可以使用电化学阻抗谱确定由于电池中的水含量引起的堆栈的阻抗。电流差值306可以是正的或负的，并且因此基于堆栈条件，增加或减小斜坡速率。

为了确定干燥电流310，第一除法器315将输送到负载的实际测量电流(SystemGrossCurrent)314除以最大电流限制(MaximumCurrentLimit)316，并且减法单元318从“1”中减去该除法的结果。MaximumCurrentLimit 316是期望产生的燃料电池堆栈额定或理论的电流值的电流。最大电流限制316受每个电池的有效面积和膜的电流密度限制。与第一除法器315并联，第二除法器321将最大电流斜坡速率(MaximumCurrentRampRate)320除以堆栈完全干燥时间(StackFullyDryTime)322。MaximumCurrentRampRate 320是在计算应允许电流增加处的最快速率。根据燃料电池状态的气体输送系统响应于电流流动中的阶跃变化，以及控制系统的限制响应于增加电流的次级效应(诸如电池电压测量)的能力，设定最大电流斜坡速率320。StackFullyDryTime322是湿润电池变为足够干燥将花费的时间，当受零电流流动和无强制通风影响时，例如当没有空气鼓风机或风扇正运行时，使得进一步干燥不会产生进一步的性能降低，诸如1％、2％或5％的电压降低。第一乘法器单元324将这两个并联路径一起相乘。第二乘法器单元326将第一乘法的乘积乘以电流限制计算控制时间(CurrentLimCaltrTime)328以给出干燥电流310。

为了确定湿润电流312，第三除法器单元320将SystemGrossCurrent 314除以最大电流316。并行地，第四除法器单元331将MaximumCurrentRampRate 320除以堆栈完全湿润时间(StackFullyWetTime)332。StackFullyWetTime 332是干燥电池变为足够湿润将花费的时间，当受最大电流限制316的电流流动，堆栈的额定的或理论的最大电流影响时，进一步湿润不会产生进一步的性能增加，诸如1％、2％或5％的电压增加。第三乘法器单元334将来自第三除法器单元330和第四除法器单元331的两个经除法的值的结果一起相乘。第四乘法器336将第三乘法的乘积乘以CurrentLimCaltrTime 328以给出干燥电流值312。第五除法器单元308确定在干燥电流310和湿润电流312之间的差以提供电流差306。加法单元337计算主要系统电流斜坡速率304和电流差306的和。第一比较单元340将该和与最大电流斜坡速率(MaximumCurrentRampRate)320比较。该比较使得比较值中的较大值被提供给第二比较器344，用于进一步与最小电流斜坡速率(MinimumCurrentRampRate)346比较。如果一旦施加负载电池电压开始下降，最小电流346是电流限制计算可以防止进一步电流限制的增加的最慢速率。MinimumCurrentRampRate 346可以在1A/sec(安培/秒)和10A/sec之间，例如5A/sec，取决于电流限制计算和电池电压检测电路的响应时间。这些比较340、344确保新计算的斜坡速率(SystemCurrentRampRate 302)不超过最大电流斜坡速率320或最小电流斜坡速率346。

以这种方式，根据实际测量电流(SystemCurrentLimit 314)和目前主要电流斜坡速率(PrevailingSystemCurrentRampRate 304)和以下内容中的至少一个确定允许电流斜坡速率(SystemCurrentRampRate 302)：

·用于堆栈的额定或理论最大电流(MaximumCurrentLimit 316)；

·基于燃料和/或氧化剂输送系统的能力的最大斜坡速率(MaximumCurrentRampRate 320)；

·对应于燃料电池堆栈的干燥时间(StackFullyDryTime 322)的时间段；以及

·对应于燃料电池堆栈的湿润时间(StackFullyDryTime 332)的时间段。

图4示出了用于基于燃料电池系统内的燃料电池的实际平均温度(MeanTX03_Sys)402、最小堆栈电池电压(MinCellVoltage_Sys)404和CVM系统电压分布(SystemCVMSpreadVoltage)406确定燃料电池条件的逻辑布置400。将这些值中的每个与特定于支持电流增加的变量能力的阈值比较。如果所有变量都不满足所需条件，则不允许电流增加。

第一比较器410将实际平均温度(MeanTX03_Sys)402与燃料电池堆栈的预定温度阈值(IncCurrentMaxTX03)408比较。如果堆栈温度过高，则可以选择IncCurrentMaxTX03408以防止电流增加，以便防止进一步过热。在一些示例中，IncCurrentMaxTX03 408可以与燃料电池堆栈的跳闸阈值相邻。例如，IncCurrentMaxTX03 408可以大于峰值性能温度，因为当冷却系统响应于阶跃变化时，可以接受在峰值性能温度之上的临时偏移。

第二比较器414将最小堆栈电池电压(MinCellVoltage_Sys)404与低于其不允许在系统电流限制中进一步增加的预定电池电压阈值(IncCurrentMinCellV)412比较，可以选择IncCurrentMinCellV 412，以防止燃料电池保护机制因为从堆栈中提取的过量电流导致电池电压下降过低而跳闸。

SystemCVMSpreadVoltage 406是燃料电池堆栈中最低电池电压的电压与燃料电池堆栈中最高电池电压的电压之间的差。阳极上水过多的燃料电池堆栈会显示出这个参数相对高的值。第三比较器418将预定电池电压阈值(SystemCVMSpreadVoltage)406与预定范围(IncCurrentMaxCVMSpread)416比较，该预定范围是阈值，高于该阈值不允许进一步电流增加。基于增加的电流流动和水产生导致的进一步电池电压下降的发生的风险，可以选择IncCurrentMaxCVMSpread 416，直到这种事件作为净化可以清除积水。

对三个比较器410、414、418的输出执行三路与(AND)操作420，以便设置允许电流增加标志(PermitCurrentIncrease)422，该标志可以取布尔值。

以这种方式，最大允许电流的增加可以在以下内容中的一个或更多个的事件中被抑制：

·堆栈中的一个或更多个电池的温度超过预定温度阈值；

·一个或更多个电池电压低于预定电池电压阈值；

·多个电池电压超过预定范围。

图5示出了用于通过使用以下内容中一个确定环境降额(derate)电流限制的逻辑布置500：

·如果系统是冷的，则需要动力510。

·如果系统处于正常状态，则需要动力524。

·如果系统正运行热的，则需要动力520。

第一减法单元504从低于其输送的动力被减小以便适应燃料电池系统的寄生负载的环境温度(LowerTempDeratePoint)506减去测量的环境温度(TX01)502。第一乘法器508将由减法单元504确定的差乘以电能量中的减少量(LowerTempDereteWattsPerKelvin)510，该电能为燃料电池系统在低于LowerTempDeratePoint 506的温度的每度产生的电能，以便如果系统在冷条件下操作提供所需的动力510。

第二减法单元514从测量的环境温度(TX01)502减去高于其输送的动力被减小以适应燃料电池系统的寄生负载的环境温度(UpperTempDeratePoint)512。第二乘法器单元516将由第二减法单元514确定的差乘以电能量(UpperTempDereteWattsPerKelvin)512，该电能为燃料电池系统在高于UpperTempDeratePoint 512的温度的每度产生的电能，以便如果系统在热条件下操作时提供所需的动力520。

第三减法单元528从操作在正常条件中的系统的标称动力输出的参考值(NominalPowerOutput)524中减去如果系统是冷的所需的动力510。第四减法单元530从NominalPowerOutput 524减去如果系统是热的所需的动力520。

第一比较单元522进行比较，以便确定以下内容中的最小值526：

·NominalPowerOutput 524；

·通过从NominalPowerOutput 524减去如果系统在冷条件下操作所需的动力510建立的差；以及

·通过从NominalPowerOutput 524减去如果系统在热条件下操作所需的动力520建立的差。

第三乘法器单元530将系统已经操作的小时数(SystemData_UptimeHours)乘以按比例缩放因子532。第五减法单元534从“1”减去乘法的乘积，以便提供寿命按比例缩放乘积536。第四乘法器单元537将由第一比较单元522确定的最小值526乘以寿命按比例缩放乘积536，以便提供衰降纠正动力539，通过取决于堆栈的老化的百分比减小衰降纠正动力539。寿命按比例缩放乘积536被提供，以便引起用于由阴极的衰降导致的在寿命开始(BoL)动力和寿命结束(EoL)动力之间的给定电流流动的堆栈的输出电压中的减少。在一些示例中，逻辑计算这个衰降作为计算电流限制以便满足系统动力的规范是重要的。如果在系统的寿命中预期的动力输送规范减少(由于衰降)，并且不是通过计算考虑的，然后控制器可以试图在寿命的结束处增加电流，以便适应电压的降低。这样的动作可导致在燃料电池堆栈内大大增加的热耗散。在一些情况下，增加的热耗散可以大于系统可容纳的热耗散。

第二比较单元541确定额定的或理论的标称系统电压(SystemPolarisedVoltage)542和系统(VX10)的输出电压中的较小的。在一些堆栈的拓扑结构中，SystemPolarisedVoltage 542可以是100.8V，其中每个电池操作在0.7V。这个确定的目的是使得当系统处于开路电压时，初始电流的计算是不切实际的小。通过假设由于每个电池最多负载0.7V引起的电压下降，电流限制的初始计算可以是更精确的，由于当负载被应用时电压下降被预见。当然，如果实际电压低于预期的，那么应用最小规则，并且更多的电流被施加以达到所需的动力。

第一除法器540通过将衰降纠正动力539除以由第二比较单元541提供的理论标称系统电压(SystemPolarisedVoltage)542和系统(VX10)的输出电压544中较小的541计算环境电流限制(AmbitentDerateCurrentLimit)538。燃料电池堆栈的额定电流(如由最大电流限制316设置的)在堆栈的寿命期间将保持相同。然而，在寿命开始(BoL)处对于给定的电流的燃料电池堆栈输送的电压高于在寿命结束(EoL)处的电压。电流限制计算考虑整体的电压输出(VX10)544，并确定基于此输送预期的动力所需的电流限制，从而引起BoL至EoL的电压差(即电流随着寿命增大、电压下降，并且因此效率下降)。

可以选择常数(诸如NominalPowerOutput 524)以确保系统的寄生能量需求在总堆栈电流能力和寄生元件(风扇、鼓风机、加热器)的能力内被满足，以在其操作期间维持燃料电池系统的可接受的操作环境。还可以考虑以下内容选择NominalPowerOutput 524：系统的期望的动力输送(规范)以及由于调节堆栈的事件(“风扇脉动”)导致的任何预期的输出的断开时间，使得在时间段内达到特定的净平均动力输出。

以这种方式，可以根据以下内容中的一个或更多个确定最大允许电流(其与AmbitentDerateCurrentLimit 538有关)：

·全部的系统运行时间(SystemData_UptimeHours 528)；

·低于预定低温阈值(LowTemDeratePoint 506)的环境温度(TX01 502)；

·高于预定高温阈值(UpperTemDeratePoint 512)的环境温度(TX01 502)；以及

·堆栈电压(VX10 544)。

在一个替代的示例中，另外可根据以下内容中的一个或两个确定AmbitentDerateCurrentLimit 538：

·燃料电池堆栈已受到的完整停止-启动循环的总数的计数；以及

·低于预定低湿度阈值的环境湿度。

图6示出了用于确定初始电流限制(InitialCurrentLimit)602的逻辑布置600。InitialCurrentLimit 602是总系统电流限制，对基于堆栈状态的降额因素其尚未被考虑到。InitialCurrentLimit 602是可从燃料电池堆栈提取的最大允许电流的示例。

逻辑装置600具有由多-选择器610组合的三个独立的逻辑路径604、606、608。第二逻辑路径606周期性地确定InitialCurrentLimit 602应该被增加的电流量。第三逻辑路径608周期性地确定InitialCurrentLimit 602应该被减小的电流量。第一逻辑路径604的输出被使用以控制多-选择器610是否选择第二逻辑路径606或第三逻辑路径608，即，是否增加或减小InitialCurrentLimit 602。

第一逻辑布置路径604接收以下作为输入：

·输送至负载的实际测量电流(SystemGrossCurrent)612；

·系统将接受电流的量(CurrentLimiOverhead)614，当前正被提取的在其上以便检测由负载提取的电流的增加；

·输送给负载的电流的限制(GrossSystemCurrentLimit)616，其例如可以使用下面在图8中描述的逻辑布置来计算；以及

·布尔值，其指示电流增加是否应该被允许(PermitCurrentIncrease)618，其例如可以使用之前关于图4描述的逻辑布置来计算。

在第一逻辑路径602中，比较器620确定GrossSystemCurrentLimit 616与SystemGrossCurrent 612和CurrentLimiOverhead 614的和622中的较大的。然后，对这些值中的较大者和PermitCurrentIncrease 618布尔值执行与操作624，以便对多-选择器610提供选择状态。如果系统上的负载正试图提取正在接近GrossSystemCurrentLimit 616的电流且堆栈处于允许增加的状态，则设置多-选择器610以允许由第二逻辑布置路径606设置InitialCurrentLimit 602。

第二逻辑布置路径606接收以下作为输入：

·主要允许电流斜坡速率(SystemCurrentRampRate)624，其例如可使用如上文参照图3所述的逻辑布置来计算；

·电流限制计算控制时间(CurrentLimCaltrTime)626，其可类似于如上文参照图3所述的电流限制计算控制时间；

·SystemGrossCurrent 612；

·CurrentLimiOverhead 614；以及

·GrossSystemCurrentLimit 616。

在第二逻辑路径606中，第一减法器634从SystemGrossCurrent 612和由第二加法单元636计算的CurrentLimiOverhead 614的和中减去GrossSystemCurrentLimit 616。该减法的结果通过第一比较单元638与SystemCurrentRampRate 624和CurrentLimCaltrTime626的乘积比较，以便确定哪个是最低的。第三加法单元642将这些值中的较低的加到GrossSystemCurrentLimit 616，并将第二逻辑路径输入提供至多-选择器610。基于SystemCurrentRampRate 624和GrossSystemCurrentLimit 616，第二逻辑路径输入将变化的幅度提供至主要最大允许电流。以这种方式，InitialCurrentLimit 602从以下内容的较小的导出：

(i)SystemCurrentRampRate 624，其随着时间的推移标准化以产生新的电流限制；以及

(ii)SystemGrossCurrent 612加上CurrentLimiOverhead 614，其可以是2A，从之前电流需求中减去GrossSystemCurrentLimit 616。因此，当在接近于InitialCurrentLimit 602操作时，第二逻辑路径606防止InitialCurrentLimit 602的循环或波动。

第三逻辑路径608接收以下作为输入：

·GrossSystemCurrentLimit 616；

·SystemGrossCurrent 612；

·理论电流值(MaximumCurrentLimit)628，燃料电池系统被期望在寿命开始(BoL)处产生该理论电流值；

·时间段(StackFullyDryTime)630，其为完全湿润电池变为足够干燥使得当不经受电流并且空气鼓风机或风扇运行时，进一步干燥不会产生进一步的性能降低，例如，在误差的2％范围内将花费的时间段。

·CurrentLimCalcltrTime 328是InitialCurrentLimit 602的计算之间的时间段。MaximumCurrentLimit 628、StackFullyDryTime 630和CurrentLimCalcltrTime 632可以类似于如上文参照图3描述的相应的值。

在第三逻辑路径608中，第一除法器644将SystemGrossCurrent 612除以MaximumCurrentLimit 628。在第一除法器644的输出上执行1-n操作650。第二除法器646将堆栈完全干燥时间630除以电流限制计算控制时间632。第三除法器648将MaximumCurrentLimit 628除以第二除法器646的输出。第一乘法器652将第三除法器648的输出除以1-n操作650的输出。第一减法单元654从GrossSystemCurrentLimit 616减去乘法的乘积，并且得到的变化的幅度作为第三逻辑路径输入被提供至多-选择器610。以这种方式，在SystemGrossCurrent 612和MaximumCurrentLimit 628之间可用的电流提取的百分比被确定。百分比被用于确定释放GrossSystemCurrentLimit 616多少电流。这是通过将电流量(堆栈仍然可以把该电流量供应给负载)乘以可用的电流开销百分比来实现的。这使初始电流限制微小下降，随着时间的推移，最终将达到刚好大于负载要求的电流的限制。这种在电流限制中的缓慢下降使负载返回到更高的电流需求，而无需施加立即限制。据认为在燃料电池内支持这种行为是可能的，因为膜干燥效果比湿润效果更缓慢。

通过第二比较单元656将多-选择器610的输出与环境电流限制(AmbientDerateCurrentLimit)657比较，其可以使用如上文参照图5所述的逻辑布置来提供，并且比较的值中较低的作为第二比较单元656的输出被提供。第三比较单元658比较第二比较单元656的输出和MaximumCurrentLimit 628，并且比较的值中较大的作为InitialCurrentLimit 602被提供。以这种方式，根据或基于通过第二逻辑路径606或第三逻辑路径606提供的确定的变化的幅度，InitialCurrentLimit 602被更新。

图7示出了基于输送至外部负载的实际测量电流(SystemGrossCurrent)712，对于通过包括图6的逻辑布置的示例系统计算的InitialCurrentLimit 702的作为时间函数的曲线，输送至外部负载的实际测量电流(SystemGrossCurrent)712为图6的逻辑布置的输入变量。

图7中的曲线被分为若干个时间段700a、700b、700c。在第一时间段700a中，InitialCurrentLimit 702具有5A的稳态值，其大于SystemGrossCurrent 712(约3A)。在随后的第二时间段700b的开始处，InitialCurrentLimit 702a逐渐增加到约39A，以便适应增加的SystemGrossCurrent 712。然后InitialCurrentLimit 702和SystemGrossCurrent712是类似的，并且二者在第二时间段700b期间是常数。在随后的第三时间段700c的开始处，SystemGrossCurrent 712逐渐下降到0A。InitialCurrentLimit 702b在第三时间段700c期间也降低，尽管速率低于SystemGrossCurrent 712。根据燃料电池堆栈干燥速率(StackFullDryTime)通过图6中的第三逻辑路径确定InitialCurrentLimit 702b的降低的速率。如上文参照图6所述，在InitialCurrentLimit 702中相对缓慢的下降使SystemGrossCurrent 712a在第三时间段期间能够返回到较高的电流需求而不需要在InitialCurrentLimit 702中施加立即变化。这个特点对于在高需求和低需求发生之间频繁切换的应用是特别有用的，诸如其在交通工具应用中。例如，在交通工具驱动循环期间，交通工具可以被驱动到通过起动开始的扭矩限制增加电流限制的水平。如果交通工具随后在交通路口处停止，则不需要施加扭矩限制，因为燃料电池能够在加速时立即支持负载，而无需进一步电流限制。

图8示出了确定用于与如上文参照图6所述的逻辑布置一起使用的总系统电流限制(GrossSystemCurrentLimit)802的逻辑布置800。GrossSystemCurrentLimit 802是可以从燃料电池堆栈中提取的最大允许电流的示例。

逻辑布置800接收以下内容作为输入：

·可以从燃料电池堆栈中提取的最大允许电流(InitialCurrentLimit)804；

·一个或更多个电池电压(MinActiveCellVoltage)806；

·最小电池电压阈值(RollbackMinCellVPoint)808；

·如果电压不充足，GrossSystemCurrentLimit 802被减小的速率(UndervoltRollbackRate)810；

·电流限制计算控制时间(CurrentLimCalcltrTime)812，其可以类似于如上文参照图3所述的对应的特征；

·燃料电池堆栈的实际平均温度(MeanTX_Sys)814，其可以类似于如上文参照图4所述的实际平均温度；

·最大温度限制(RollbackTX03Point)816；

·如果温度太高，GrossSystemCurrentLimit 802被减小的速率(TemperatureRollbackRate)818；以及

·预定最小电流限制(MinimumCurrentLimit)814。

逻辑布置800包括第一多-选择器816和第二多-选择器818。

第一求和单元822将UndervoltRollbackRate 810乘以CurrentLimCalcltrTime812，并将乘积提供至第一运算器824。第一运算器824提供多-选择器816的输入，该输入等于“0”减乘积。多-选择器816的第二输入被设置为“0”。第一比较器820比较MinActiveCellVoltage 806和RollbackMinCellVPoint 808，并根据比较控制通过第一多-选择器816选择。

第二求和单元826将TemperatureRollbackRate 818乘以CurrentLimCalcltrTime812，并将乘积提供至第二运算器828。第二运算器828提供多-选择器818的输入，该输入等于“0”减乘积。多-选择器818的第二输入被设置为“0”。第二比较器830比较MeanTX_Sys 814和RollbackTX03Point 816，并根据比较控制通过第二多-选择器818选择。

加法单元832将第一多-选择器816的输出、第二多-选择器818的输出和InitialCurrentLimit 804一起相加。第一比较单元834比较加法单元832的输出和MinimumCurrentLimit 814，并提供这些值中较大的作为总系统电流限制802。

以这种方式，如果逻辑布置800检测到即将来临的电池欠电压，则GrossSystemCurrentLimit 802被减小，从而防止系统欠电压保护跳闸，或者如果逻辑布置800检测到系统接近超温度跳闸，则GrossSystemCurrentLimit 802被减小，从而防止系统超温度跳闸。如果逻辑布置800没有检测到即将来临的欠电压或超温度情况，则GrossSystemCurrentLimit 802将被设置为InitialCurrentLimit 804。与MinimumCurrentLimit 814的比较被用于确保总系统电流限制不能低于最小值。

在这个示例中，根据一个或更多个电池电压(MinActiveCellVoltage)与最小电池电压阈值(RollbackMinCellVPoint)的接近度和/或堆栈温度(MeanTX_Sys)与最大温度限制(RollbackTX03)的接近度确定GrossSystemCurrentLimit 802。

图9示出了用于确定净系统电流限制(NetSystemCurrentLimit)902的逻辑布置900，净系统电流限制(NetSystemCurrentLimit)902为可以从燃料电池堆栈中提取的最大允许电流的另一个示例。NetSystemCurrentLimit 902是作为电流限制被传递至交通工具的值，并且也可以称为发布的电流限制，因为由燃料电池系统将其“发布”给交通工具的负载控制器。NetSystemCurrentLimit 902是用于外部负载的电流限制，而之前称为总系统电流限制是用于所有负载的电流限制，包括燃料电池系统的外部负载和寄生负载。首先通过之前的逻辑布置确定总系统电流限制，并且然后在考虑寄生负载之后，通过考虑剩余电流确定NetSystemCurrentLimit 902。

逻辑布置900接收以下内容作为输入：

·在燃料电池系统内的燃料电池的实际平均温度(MeanTX03_Sys)910；

·预设温度(StackEvaporationTemp)912，在此温度下在燃料电池系统内有足够的热量使水蒸发；

·总系统电流限制(GrossSystemCurrentLimit)914，诸如通过上文参照图8所述的逻辑布置计算的总系统电流限制；

·在系统上对于主要寄生负载(PrasiticLoads_Sys)916的测量值，诸如通过鼓风机和风扇所消耗的动力；

·在寿命开始处燃料电池系统被期望产生的理论电流值(MaxCurrentLimit)918，其可以与上文参照图3所述的相应的最大电流限制值类似；

·可从冷燃料电池系统中提取的理论最大电流(ColdStackMaxCurrent)922，例如在启动后不久或(当风扇用于从堆栈中除去水时)在吹除(blowdown)过程期间；

·在吹除期间可从冷燃料电池系统中提取的理论最大电流(BlowdownStackMaxCurrent)924；

·吹除触发器(动作_吹除)926，其指示吹除过程正在进行；

·主输出接触器的状态(HVRL02_需求)928，其指示燃料电池系统是否被连接至负载；

·关机是否已暂停的指示(Status_ShutdownPaused)930，在这种情况下没有负载需求；

逻辑布置900包括第一多-选择器904、第二多-选择器906、第三多-选择器908和第四多-选择器910。每个多-选择器904、906、908、910具有第一输入、第二输入、输出和选择输入，该选择输入用于选择其第一和第二输入中的哪个被连接至输出。

减法单元932从MaxCurrentLimit 918中减去PrasiticLoads_Sys 916，并且作为第一输入将差值提供至第一多-选择器904。GrossSystemCurrentLimit 914作为第一多-选择器904的第二输入被提供。

加法单元934将PrasiticLoads_Sys 916加到MaxCurrentLimit918，并将和作为第一比较器936的输入提供。MaxCurrentLimit 918作为第一比较器936的第二输入被提供。第一比较器936的输出被提供至第一多-选择器904的选择输入。

第一多-选择器904的输出作为第二多-选择器906的第一输入被提供。第一比较单元938比较总GrossSystemCurrentLimit 914和ColdStackMaxCurrent 922，并提供这两个值中的较低的作为第二多-选择器906的第二输入。第二比较器940比较MeanTX03_Sys 910和ColdStackMaxCurrent 922，并根据比较提供第二多-选择器906的选择输入。

第二多-选择器906的输出作为第三多-选择器908的第一输入被提供。吹除BlowdownStackMaxCurrent 924作为第三多-选择器908的第二输入被提供。

第三多-选择器906的输出作为第四多-选择器910的第一输入被提供。“0”值作为第四多-选择器910的第二输入被提供。

非(NOT)门942向状态_关机暂停930应用非操作。与门944在由非门942提供的反转Status_ShutdownPaused 930和HVRL02_需求928上执行与操作。HVRL02_需求928被用于确定NetSystemCurrentLimit 902是否应该是“0”—如果接触器是断开的，则可能没有电流流动。根据与操作与门944控制第四多-选择器910的选择输入。第四多-选择器910的输出提供NetSystemCurrentLimit 902。以这种方式，取决于若干系统状况确定NetSystemCurrentLimit 902。

如果系统是在暂停的关机状态并且高侧接触器未接合，则系统与外部负载隔离。在这个情况下，电流限制是0A，因为不可能从系统中提取电流。否则从逻辑布置900中的之前阶段中确定限制。

如果系统在吹除中，则电流限制被设置为吹除中允许的最大电流。

否则，在逻辑布置900的之前阶段中确定NetSystemCurrentLimit 902。通过检查核心温度足以维持燃料电池系统中产生的水的蒸发来确定在这些阶段中的电流限制。如果温度足够，那么NetSystemCurrentLimit 902被设置为最大电流限制减去任何寄生电流。如果温度不是足够的，那么NetSystemCurrentLimit 902被设置为GrossSystemCurrentLimit914和ColdStackMaxCurrent 922中的最低的。

如果计算的NetSystemCurrentLimit 902与由系统呈现的寄生负载超过MaxCurrentLimit，那么NetSystemCurrentLimit 902被减小以适应寄生负载。

Claims (10)

1.一种操作燃料电池系统的方法，包括：

确定从所述燃料电池系统中可以提取的最大允许电流；

基于所述燃料电池系统的主要允许电流斜坡速率和实际测量的电流，反复确定所述主要最大允许电流的变化的幅度；

根据反复地确定的变化的幅度，更新所述最大允许电流；以及

根据所述主要最大允许电流，控制所述燃料电池系统的操作参数。

2.根据权利要求1所述的方法，其中控制所述燃料电池系统的操作参数的所述步骤包括控制所述燃料电池系统上的电负载。

3.根据权利要求1所述的方法，其中确定的变化的幅度包括增量或减量。

4.根据权利要求1所述的方法，其中根据对应于所述主要允许电流斜坡速率的变化的幅度和由电流负载要求指示的变化的幅度中的较小的确定所述变化的幅度，并将确定的值作为增量被应用到所述最大允许电流。

5.根据权利要求1所述的方法，其中根据对应于所述燃料电池系统中的一个或更多个燃料电池的干燥时间的时间段确定所述变化的幅度。

6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括根据实际测量的电流和目前主要电流斜坡速率以及以下内容中的至少一个周期性地确定允许电流斜坡速率的步骤：用于所述系统的额定的最大电流；基于所述燃料和/或氧化剂输送系统的能力的最大斜坡速率；对应于所述燃料电池系统中的一个或更多个燃料电池的干燥时间的时间段；以及对应于所述燃料电池系统中的所述一个或更多个燃料电池的湿润时间的时间段。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述额定的最大电流包括对于所述燃料电池系统的物理配置的预定最大电流。

8.根据权利要求6所述的方法，其中所述允许电流斜坡速率受表示电流速率增加的水平的最小电流斜坡速率的影响，所述电流速率增加的水平将确保捕获由一个或更多个燃料电池的过度干燥引起的所述系统中的欠电压事件。

9.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在以下内容中的一个或更多个的事件中抑制所述最大允许电流的增加的步骤：

(i)一个或更多个电池的温度超过预定温度阈值；

(ii)一个或更多个电池电压低于预定电池电压阈值；

(iii)多个电池电压超过预定范围。

10.根据权利要求1所述的方法，进一步包括根据以下内容中的一个或更多个确定所述最大允许电流：

(i)全部的系统运行时间；

(ii)所述燃料电池系统已受到的完整停止-开始循环的总数的计数；

(iii)低于预定低湿度阈值的环境湿度；

(iv)低于预定低温度阈值的环境温度；

(v)高于预定高温度阈值的环境温度；以及

(vi)系统电压。

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