CN116053510A - 燃料电池系统及用于控制其电力的方法 - Google Patents

Abstract

一种燃料电池系统及用于控制其电力的方法，该燃料电池系统，包括：第一转换器，将从燃料电池堆或电池输出的电力转换为特定水平的电力；第二转换器，转换输入到电池或从电池输出的电力；电力继电器组件，控制超级电容器与第一转换器之间的电力流；以及控制器，根据燃料电池系统的启动状态或运行状态来控制第一转换器和第二转换器的输出，并且控制电力继电器组件的操作。

Description

燃料电池系统及用于控制其电力的方法

相关申请

本申请要求2021年10月28日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请号10-2021-0145783的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开涉及一种燃料电池系统及控制其的电力的方法。

背景技术

燃料电池系统可以通过使用燃料电池堆来产生电能。例如，当使用氢作为燃料电池堆的燃料时，可以解决全球环境问题。因此，已经连续对燃料电池系统进行了学习和研究。

采用燃料电池系统的车辆可以使用燃料电池作为主电源，通过使用氢燃料来产生电能，并且可以包括采用高压电池作为副电源的混合动力网络，从而根据行驶情况切换操作模式，从而提高行驶效率。

最近，已经尝试将燃料电池系统应用于工业领域中使用的车辆，如挖掘机。

应用于工业领域中使用的车辆的燃料电池系统，除燃料电池外，还包括电池和超级电容器。在这种情况下，燃料电池、电池和超级电容器可以以混合方式操作，因此可以提高功效。然而，为了以混合方式操作每一种能源，必须在电网中至少提供三个转换器。转换器是高价格的零件，因此可能会增加成本。

发明内容

提供本发明内容以简化形式介绍一些概念，这些概念将在下面的详细描述中进一步描述。本发明内容既不旨在标识所要求保护的权利要求的关键特征或必要特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的权利要求的范围。

在一个总体方面，燃料电池系统包括：第一转换器，将从燃料电池堆或电池输出的电力转换为特定水平的电力；第二转换器，转换输入到电池或从电池输出的电力；电力继电器组件，控制超级电容器和第一转换器之间的电力流；以及控制器，根据燃料电池系统的启动状态或运行状态来控制第一转换器和第二转换器的输出，并控制电力继电器组件的操作。

第一转换器可以布置在主总线级上，以将燃料电池堆连接到逆变器，并且第二转换器的一端可以连接到燃料电池堆和第一转换器之间的主总线级，并且相对的一端可以连接到电池，并调节双向电力流。

第二转换器可以在燃料电池系统启动时，通过使用从电池释放的电力来提供燃料电池系统的启动电力和超级电容器的充电电力。

第一转换器可以在燃料电池系统启动时，通过电力继电器组件将从第二转换器接收的充电电力提供到超级电容器。

电力继电器组件可以在通过第一转换器接收充电电力之前，通过使用预充电继电器来调节第一转换器的输出级与超级电容器之间的电压，并且在通过第一转换器提供充电电力时，可以通过使用主继电器来向超级电容器提供充电电力。

在燃料电池系统启动时，控制器可以以恒定电流模式操作第一转换器，并且可以以恒定电压模式操作第二转换器。

在燃料电池系统启动时，控制器可以将燃料电池堆的启动电压设置为第二转换器的输出电压，并且可以将第二转换器的极限电流或电池的允许放电电流设置为第二转换器的限制电流。

在燃料电池系统启动时，控制器可以将超级电容器的充电电压设置为第一转换器的输出电压，可以将通过从电池的允许放电电流减去辅助设备的所需电流而获得的值设置为第一转换器的输出电流，并且可以将第一转换器的极限电流或超级电容器的允许充电电流设置为第一转换器的限制电流。

在燃料电池系统运行时，第二转换器可以调节并输出从电池释放的电力，并且在燃料电池系统运行时，第一转换器可以调节通过燃料电池堆和第二转换器中的至少一个输出的电力，并且可以将调节的电力输出到逆变器。

在燃料电池系统运行时，控制器可以以恒定电流模式操作第一转换器，并且以恒定电压模式操作第二转换器。

控制器可以基于超级电容器的测量电压设置第一转换器的输出电压，可以基于燃料电池堆和电池的附加所需电力与超级电容器的测量电压之间的比率，设置第一转换器的输出电流，并且可以基于第一转换器的极限电流设置第一转换器的限制电流。

在燃料电池系统运行时，控制器可以基于燃料电池堆的目标电压设置第二转换器的输出电压，可以基于电池的目标电力和电池的测量电压之间的比率设置第二转换器的输出电流，并且可以基于电池的允许放电电流设置第二转换器的限制电流。

在燃料电池系统运行时，电力继电器组件可以将从超级电容器释放的电力提供给逆变器。

在另一个总体方面，一种用于控制燃料电池系统的电力的方法包括：设置第一转换器的输出，其根据燃料电池系统的启动状态或运行状态来调节从燃料电池堆或电池输出的电力，以及第二转换器的输出，其调节输入到电池或从电池输出的电力；根据燃料电池系统的启动状态或运行状态，控制电力继电器组件的操作，以及根据第一转换器和第二转换器的输出以及电力继电器组件的操作，控制燃料电池堆、电池和超级电容器的电力供应。

输出的设置可以包括：在燃料电池系统启动时，将燃料电池堆的启动电压设置为第二转换器的输出电压；以及将第二转换器的极限电流或电池的允许放电电流设置为第二转换器的限制电流。

输出的设置可以包括：在燃料电池系统启动时，将超级电容器的充电电压设置为第一转换器的输出电压，将通过从电池的允许放电电流减去辅助设备的所需电流而获得的值设置为第一转换器的输出电流，以及将第一转换器的极限电流或超级电容器的允许充电电流设置为第一转换器的限制电流。

电力供应的控制可以包括：在燃料电池系统启动时，由第二转换器使用从电池释放的电力来提供燃料电池系统的启动电力。

电力供应的控制可以包括：在燃料电池系统启动时，由第二转换器使用从电池释放的电力向超级电容器提供充电电力。

该方法可还包括：在燃料电池系统启动时，由第一转换器调节从第二转换器接收的充电电力，并通过电力继电器组件将调节后的充电电力提供给超级电容器。

电力供应的控制可以包括：在向超级电容器提供充电电力之前，由连接到超级电容器的电力继电器组件使用预充电继电器来调节第一转换器的输出级与超级电容器之间的电压；以及当通过第一转换器提供充电电力时，由电力继电器组件使用主继电器向超级电容器提供充电电力。

输出的设置可以包括：在燃料电池系统运行时，基于超级电容器的测量电压，设置第一转换器的输出电压；基于燃料电池堆和电池的附加所需电力与超级电容器的测量电压之间的比率，设置第一转换器的输出电流；并且基于第一转换器的极限电流设置第一转换器的限制电流。

输出的设置可以包括：在燃料电池系统运行时，基于燃料电池堆的目标电压设置第二转换器的输出电压；基于电池的目标电力和测量电压之间的比率设置第二转换器的输出电流；并且基于电池的允许放电电流设置第二转换器的限制电流。

电力供应的控制可以包括：在燃料电池系统运行时，由第二转换器调节并输出从电池释放的电力，并且由第一转换器调节通过燃料电池堆和第二转换器中的至少一个输出的电力，并将调节的电力提供给逆变器。

电力供应的控制可以包括：在燃料电池系统运行时，由电力继电器组件将从超级电容器释放的电力提供给逆变器。

从以下详细描述、附图和权利要求书中，其它特征和方面将是显而易见的。

附图说明

通过以下结合附图的详细描述，本公开的上述和其他目的、特征和优点将更加明显：

图1是示出根据本公开的实施例的燃料电池系统的视图；

图2A是示出根据本公开的实施例的在燃料电池系统启动时能量流动的视图；

图2B是示出根据本公开的实施例的在燃料电池系统启动时转换器的运行状态的视图；

图3A是示出根据本公开的实施例的在燃料电池系统运行时能量流动的视图；

图3B是示出根据本公开的实施例的在燃料电池系统运行时转换器的运行状态的视图；

图4和图5是示出根据本公开的实施例的用于控制燃料电池系统的电力的方法的操作流程的视图；

图6A是示出在步骤S350中设置第一转换器170的输出的详细操作的视图；以及

图6B是示出在步骤S370中设置第二转换器180的输出的详细操作的视图。

具体实施方式

在下文中，将参考示例性附图详细描述本公开的一些实施例。在给每幅图的部件添加附图标记时，应当注意，即使在其他图中显示相同或等效的部件时，它们也用相同的标号表示。此外，在描述本公开的实施例时，将排除对公知特征或功能的详细描述，以免不必要地混淆本公开的主旨。

此外，在根据本公开的实施例的部件的以下描述中，可以使用术语“第一”、“第二”、“A”、“B”、“(a)”和“(b)”。这些术语仅旨在将一个部件与另一部件区分开来，并且这些术语不限制组成部件的性质、顺序或排序。此外，除非另有定义，本文使用的所有术语，包括技术或科学术语，与本公开内容所属领域的技术人员通常理解的具有相同含义。通用字典中定义的术语应被解释为具有与相关技术领域中的上下文含义相同的含义，并且不应被解释为具有理想的或过于正式的含义，除非在本申请中明确定义为具有这样的含义。

图1是示出根据本公开的实施例的燃料电池系统的视图。

参考图1，根据本公开的实施例，燃料电池系统可以包括燃料电池堆110、逆变器120、电动机130、辅助设备140、电池150和超级电容器160、第一转换器170、第二转换器180和电力继电器组件(PRA)190。此外，燃料电池系统还可包括控制器200，以控制燃料电池系统的电力流。

燃料电池堆110(或其可称为“燃料电池”)具有能够通过燃料(例如，氢)和氧化剂(例如，空气)之间的氧化/还原反应产生电的结构。例如，燃料电池堆110可以包括膜电极组件(MEA)，其中进行电化学反应的催化剂电极层附接到用于移动氢离子的电解质膜的相对侧；气体扩散层(GDL)，均匀分布反应气体并传递所产生的电能；垫片和紧固机构，用于保持反应气体和第一冷却剂的气密性和适当的紧固压力；以及双极板，其移动反应气体和第一冷却剂。

在燃料电池堆110中，作为燃料的氢气和作为氧化剂的空气(氧气)通过隔板的流体通道分别供应到膜电极组件的阳极和阴极。在这种情况下，可以向阳极供应氢气，并且可以向阴极供应空气。供应给阳极的氢气通过形成在电解质膜相对侧上的电极层中的催化剂分解成氢离子(质子)和电子(质子)。其中，只有氢离子可以通过作为阳离子交换膜的电解质膜传递到阴极。此外，电子可以通过作为导体的气体扩散层和隔板传输到阴极。在阴极中，通过电解质膜供应的氢离子和通过隔板传递的电子可以与由空气供应设备供应给阴极的空气中的氧相遇，以生成水。随着电子由于氢离子的运动而流经外部导线，可以产生电能。

作为具有燃料电池系统的车辆(即，燃料电池车辆)的主电源的燃料电池堆110通过使用产生的电能来提供驱动电动机130所需的电力。在这种情况下，燃料电池车辆可以包括在建筑工地上的工业车辆，例如挖掘机。

同时，燃料电池堆110可以提供电力以对电池150和/或超级电容器160进行充电。

可以由控制器200控制燃料电池堆110的输出。

逆变器120、电动机130、辅助设备140、电池150、超级电容器160、第一转换器170、第二转换器180和电力继电器组件(PRA)190可以连接到主总线级，该主总线级连接到燃料电池堆110的输出级。

逆变器120将从燃料电池堆110接收的高压直流(DC)电力转换为交流(AC)电力以驱动电动机130，并将AC电力传输到电动机130。

逆变器120可以从连接到主总线级的电池150和/或超级电容器160接收高压DC电力。在这种情况下，逆变器120可以将从电池150或超级电容器160接收的高压DC电力转换成用于驱动电动机130的AC电力，并且可以将转换后的AC电力提供给电动机130。

在燃料电池车辆以燃料电池模式运行时，逆变器120可以从燃料电池堆110接收用于驱动电动机130的电力。在燃料电池车辆以电动车辆(EV)模式运行时，逆变器120可以从电池150和/或超级电容器160接收用于驱动电动机130的电力。同时，在燃料电池车辆以混合模式运行时，逆变器120可以从燃料电池堆110、电池150和超级电容器160接收用于驱动电动机130的电力。

在这种情况下，逆变器120可以包括多个切换设备(未示出)。可以通过脉宽调制(PWM)方案来控制多个切换设备以产生AC电力。在这种情况下，控制多个切换设备的方案不限于任一个，并且很明显，根据实施例，可以通过不同的方案来控制多个切换设备。

从逆变器120产生的AC电力被提供给电动机130。因此，使用从逆变器120提供的AC电力驱动电动机130。电动机130可以使用从逆变器120提供的AC电力来产生旋转力，并且可以将产生的旋转力施加到燃料电池车辆的驱动轮。

同时，电动机130通过使用在再生制动期间产生的制动力来产生电能。在这种情况下，逆变器120可以转换在再生制动期间从电动机130产生的电能的电力，并且可以提供转换后的电力作为超级电容器160的充电电力。

辅助设备140可以包括驱动燃料电池堆110所需的辅助设备。例如，辅助设备140可以包括鼓风机、空气压缩机、喷射器、冷却水循环泵和各种控制阀。

辅助设备140可以通过接收来自燃料电池堆110的驱动电力运行。此外，当燃料电池系统在初始阶段启动时，辅助设备140可以通过接收来自电池150的驱动电力运行。

电池150是燃料电池车辆的辅助电源，并且使用从燃料电池堆110产生的电能进行充电。

电池150可以释放充电的电能以提供驱动电动机130所需的电力。

此外，电池150可以在燃料电池系统的初始启动时释放电能，以提供驱动辅助设备140所需的电力。此外，电池150可以在燃料电池系统的初始启动时释放充电的电能，以提供对超级电容器160充电所需的电力。

在这种情况下，可以由控制器200控制电池150的放电量。

超级电容器160与电池150一样是燃料电池车辆的辅助电源，并且使用从燃料电池堆110产生的电能进行充电。超级电容器160可以在燃料电池系统的初始启动时使用从电池150提供的电力进行充电。此外，超级电容器160可以使用在再生制动期间从电动机130产生的电力进行充电。

超级电容器160可以释放充电的电能以提供驱动电动机130所需的电力。可以由控制器200控制超级电容器160的放电量。

第一转换器170可以在燃料电池堆110与逆变器120之间布置在主总线级上。第一转换器170，其是用于调节从燃料电池堆110或电池150输出的电力并将调节后的电力输出到主总线级的电力转换器，可以包括单向高压DC-DC转换器(HDC)。

例如，第一转换器170可以调节从燃料电池堆110或电池150输出的电力，并且可以将调节后的电力提供给连接到主总线级的逆变器120。

此外，第一转换器170可以调节从燃料电池堆110或电池150输出的电力，并且可以将调节后的电力提供给连接到主总线级的超级电容器160，以对超级电容器160进行充电。

在这种情况下，控制器200可以确定第一转换器170的输出电压、输出电流和限制电流。因此，第一转换器170可以根据由控制器200确定的输出电压、输出电流和限制电流来调节输出到主总线级的电力。

第二转换器180的一端可以在燃料电池堆110与第一转换器170之间连接到主总线级，并且第二转换器180的相对端可以连接到电池150。

第二转换器180，其是调节输入到电池150或从电池150输出的电力的电力转换器，可以包括控制电流双向移动的双向高压DC-DC转换器(BHDC)。

例如，第二转换器180可以调节从燃料电池堆110提供的电力，从而提供调节后的电力以作为电池150的充电电力。此外，第二转换器180可以在再生制动期间调节从电动机130产生的电力，以提供该电力作为电池150的充电电力。

同时，第二转换器180在燃料电池系统启动时调节从电池150释放的电力，并将该电力输出到主总线级。在这种情况下，输出到主总线级的电力可以作为辅助设备140的驱动电力提供，并且可以作为超级电容器160的充电电力提供。

在这种情况下，控制器200可以确定第二转换器180的输出电压、输出电流和限制电流。因此，第一转换器180可以根据由控制器200确定的输出电压、输出电流和限制电流来调节输出到主总线级或电池150的电力。

电力继电器组件190可以包括布置在将超级电容器160连接到主总线级的线路上的主继电器、并联连接到主继电器的预充电继电器、以及串联连接到预充电继电器的一端的预充电电阻器。

电力继电器组件190可以通过打开和关闭主继电器和预充电继电器来施加或阻止在超级电容器160与主总线级之间流动的电力。在这种情况下，可以由控制器200控制主继电器和预充电继电器的打开和关闭操作。

在这种情况下，电力继电器组件190可以防止第一转换器170和逆变器120在初始启动燃料电池系统时被超级电容器160的剩余电压损坏。

电力继电器组件190可还包括电流传感器(未示出)。电流传感器可以检测在超级电容器160与主总线级之间流动的电流的方向。

控制器200可以对燃料电池系统的每个单元执行电力控制。在这种情况下，控制器200可以是上层控制器。

根据本实施例的控制器200可以是硬件设备，例如处理器或中央处理单元(CPU)，或者由处理器实施的程序。控制器200可以连接到燃料电池系统的每个部件以执行燃料电池系统的总体功能。

在燃料电池系统启动时，控制器200可以控制用于启动燃料电池堆110和对超级电容器160充电的电力流。

在这种情况下，控制器200可以确定第一转换器170和第二转换器180的输出，并且可以控制电力继电器组件190的操作。

例如，控制器200以恒定电压模式驱动第二转换器180以启动燃料电池堆110。在这种情况下，控制器200将第二转换器180的输出电压确定为启动电压。此外，控制器200将第二转换器180的极限电流或电池150的允许放电电流设置为第二转换器180的限制电流。在这种情况下，控制器200可以确定第二转换器180的极限电流和电池150的允许放电电流的较小值作为第二转换器180的限制电流。

因此，当电池150释放电力时，第二转换器180可以将从电池150释放的电力提供到辅助设备140以启动燃料电池堆110。

同时，由于超级电容器160的电压在无人看管时由于自放电而自然降低，所以在燃料电池系统在初始阶段启动时需要对超级电容器160进行充电。因此，当启动燃料电池堆110时，控制器200操作电力继电器组件190，以对超级电容器160进行充电，并以恒定电流模式驱动第一转换器170。

在这种情况下，控制器200将第一转换器170的输出电压确定为超级电容器160的充电电压。此外，控制器200确定通过从电池150的允许放电电流减去辅助设备140的所需电流而获得的值作为第一转换器170的输出电流。此外，控制器200确定第一转换器170的极限电流或超级电容器160的允许充电电流作为第一转换器170的限制电流。在这种情况下，控制器200可以确定第一转换器170的极限电流和超级电容器160的允许充电电流的较小值作为第一转换器170的限制电流。

因此，当初始启动燃料电池系统时，第一转换器170和第二转换器180可以提供从电池150释放的一些电力作为用于对超级电容器160充电的电力。例如，除了辅助设备140的所需电力，第一转换器170和第二转换器180可以将从电池150释放的电力的剩余电力提供给超级电容器160。

在这种情况下，电力继电器组件190在驱动第一转换器170之前通过使用预充电继电器使超级电容器160的电压、第一转换器170的输出电压和逆变器120的输入电压彼此相等。此后，当以恒定电流模式操作第一转换器170时，电力继电器组件190通过主继电器向超级电容器160提供充电电力。

以下，将参考图2A和图2B更详细地描述在燃料电池系统启动时的控制电力的操作。

图2A是示出根据本公开的实施例的在燃料电池系统启动时能量流动的视图。图2B是示出根据本公开的实施例的在燃料电池系统启动时转换器的运行状态的视图。

参考图2A和图2B，在燃料电池系统启动时，控制器200可以确定第二转换器180的驱动模式、输出电压和限制电流，以沿着第一路线R11向辅助设备140提供电力。

在这种情况下，如图2B所示，控制器200可以将第二转换器180的驱动模式设置为恒定电压模式，将第二转换器180的输出电压设置为启动电压，并通过第二转换器180的极限电流或电池150的允许放电电流设置第二转换器180的限制电流，以启动燃料电池。

此外，当初始启动燃料电池系统时，控制器200可以设置第一转换器170的驱动模式、输出电压、输出电流和限制电流，以沿着第二路线R12向超级电容器160提供充电电力。

在这种情况下，如图2B所示，控制器200可以将第一转换器170的驱动模式设置为恒定电流模式，可以将第一转换器170的输出电压设置为超级电容器160的电压，将第一转换器170的输出电流设置为通过从电池150的可放电电流减去辅助设备140的所需电流而获得的值，并将限制电流设置为第一转换器170的极限电流或超级电容器160的允许充电电流，以用于超级电容器160的充电。

如图2B所示，当确定第一转换器170和第二转换器180的输出时，电池150释放电能，并且第二转换器180调节从电池150释放的电力，以沿着第一路线R11向辅助设备140提供启动电力。

因此，辅助设备140通过使用从第二转换器180提供的电力驱动燃料电池堆110来完成启动。

此外，第二转换器180可以调节从电池150释放的电力，以沿着第二路线R12将调节后的电力输出到第一转换器170。在这种情况下，第一转换器170调节从第二转换器180输出的电力，以沿着第二路线R12向超级电容器160提供充电电力。

在这种情况下，控制器200可以在从第一转换器170提供充电电力之前，控制连接到第二路线R12上的超级电容器160的电力继电器组件190导通。

因此，电力继电器组件190将从第一转换器170提供的充电电力传输到超级电容器160，以对超级电容器160充电。

当超级电容器160的充电完成时，控制器200可以控制电力继电器组件190的操作关闭。

同时，控制器200可以在燃料电池堆110的启动完成后的操作期间控制燃料电池堆110、电池150和超级电容器160的电力流。

在这种情况下，控制器200可以确定第一转换器170和第二转换器180的输出，并且可以控制电力继电器组件190的操作。

例如，在燃料电池系统运行时，控制器200可以控制第一转换器170的输出以将燃料电池堆110的输出电力提供给逆变器120。

在燃料电池车辆以混合模式运行时，控制器200可将来自电池150和/或超级电容器160的电力提供到逆变器120，以用于燃料电池堆110的负载变化(其超过参考范围)。

在这种情况下，控制器200可以基于燃料电池堆110和电池150的附加所需电力来控制第一转换器170的输出。此外，控制器200可以基于电池150的目标电力和燃料电池堆110的目标电压来控制第二转换器180的输出，以将来自电池150的电力提供给逆变器120。

此外，控制器200可以控制电力继电器组件190的继电器操作，以将在超级电容器160中充电的电力提供给逆变器120。

以下，将参考图3A和图3B描述在燃料电池系统运行时控制电力的操作。

图3A是示出根据本公开的实施例的在燃料电池系统运行时的能量流动的视图，并且图3B是示出根据本公开的实施例的在燃料电池系统运行时转换器的运行状态的视图。

参考图3A和图3B，在燃料电池系统运行时，燃料电池堆110沿着第三路线R21向逆变器120提供电力。在这种情况下，燃料电池堆110向逆变器120提供与逆变器120的负载变化相对应的电力，该电力是在驱动逆变器120和电动机130时测量的，并且存在于连续测量的静态负载的第一范围内。

在这种情况下，布置在第三路线R21上的第一转换器170可以调节从燃料电池堆110提供的电力，并且可以将电力输出到逆变器120。

燃料电池堆110可以沿着连接到第三路线R21的第四路线R22向辅助设备140提供驱动电力。此外，燃料电池堆110可以沿着连接到第三路线21的第五路线R23向电池150和/或沿着第六路线R24向超级电容器160提供充电电力。

当在燃料电池系统的运行期间请求向逆变器120提供电力时，电池150可以沿着第五路线R23和第三路线R21向逆变器120提供电力。

在这种情况下，电池150可以向逆变器120提供与逆变器120的负载变化相对应的电力，该电力是在驱动逆变器120和电动机130时测量的，并且存在于为带通滤波器(BPF)设置的第二范围内。第二范围可以对应于由燃料电池提供的静态负载的第一范围和为高通滤波器设置的第三范围之间的中间频率范围。可以根据实施例修改详细范围。

在这种情况下，布置在第五路线R23上的第二转换器180和布置在第三路线R21上的第一转换器170可以调节从电池150提供的电力，并将调节后的电力输出到逆变器120。

在这种情况下，第一转换器170可以基于燃料电池堆110的电力和从电池150提供的电力之和来调节电力，并且当从燃料电池堆110和电池150提供电力时，可以将调节后的电力输出到逆变器120。

此外，当在燃料电池系统的运行期间请求向逆变器120提供电力时，超级电容器160可以沿着第六路线R24和第四路线R22向逆变器120提供电力。

在这种情况下，超级电容器160可以向逆变器120提供与逆变器120的负载变化相对应的电力，该电力是在驱动逆变器120和电动机130时测量的，并且存在于设置为逆变器120的负载的高通滤波器(HPF)的第三范围内。在这种情况下，第三范围可以是快速波动的负载范围，并且可以对应于高于第二范围的频率范围。可以根据实施例修改详细范围。

在这种情况下，布置在第六路线R24上的电力继电器组件190可以将从超级电容器160提供的电力提供给逆变器120。

因此，在燃料电池系统运行时，控制器200可以控制第一转换器170、第二转换器180和电力继电器组件190的操作，以向逆变器120提供燃料电池堆110、电池150和超级电容器160的电力。

在这种情况下，如图3B所示，控制器200将第一转换器170的驱动模式设置为恒定电流模式。此外，控制器200可以将第一转换器170的输出电压设置为超级电容器160的测量电压，基于燃料电池堆110和电池150的附加所需电力与超级电容器160的测量电压的比率设置输出电流，以及将限制电流设置为第一转换器170的极限电流。

此外，控制器200将第二转换器180的驱动模式设置为恒定电压模式。此外，控制器200可以将第二转换器180的输出电压设置为燃料电池堆110的目标电压，基于电池150的目标电力与电池150的测量电压的比率设置输出电流，并且将限制电流设置为电池150的允许放电电流。

如图3B所示，当确定第一转换器170和第二转换器180的输出时，燃料电池堆110可以输出目标电力的电力。在这种情况下，可以将输出电力输出到第一转换器170和辅助设备140。第一转换器170调节从燃料电池堆110输出的电力，并且沿着第三路线R21将调节后的电力提供给逆变器120。

在这种情况下，可以通过将辅助设备140的所需电力和燃料电池堆110的所需电力相加来获得燃料电池堆110的目标电力。可以通过从燃料电池堆110和电池150的附加所需电力中减去电池150的目标电力来获得燃料电池堆110的所需电力。

可以通过从驱动逆变器120时测量的负载中减去超级电容器160的目标电力来获得燃料电池堆110和电池150的附加所需电力。可以通过从逆变器120的负载的(通过HPF计算的)超级电容器160的所需电力中减去(对应于通过从基于超级电容器160的目标SOC计算的目标电压减去超级电容器160的测量电压而获得的电压来计算的)电力来获得超级电容器160的目标电力。

可以通过从燃料电池堆110和电池150的附加所需电力的(通过BPF计算的)电池150的所需电力中减去(对应于通过从基于电池150的目标SOC计算的目标电压减去电池150的测量电压而获得的电压来计算的)电力来获得电池150的目标电力。

此外，电池150可以以目标电力释放能量，并且第二转换器180可以调节从电池150释放的电力，以沿着第五路线R23和第三路线R21将调节后的电力输出到第一转换器170。在这种情况下，第一转换器170调节从第二转换器180输出的电力，以沿着第二路线R21向逆变器120提供电力。

此外，超级电容器160以目标电力释放能量，并且电力继电器组件190将从超级电容器160释放的电力提供给逆变器120。

因此，逆变器120在从燃料电池堆110连续接收第一范围内的电力的同时运行。此外，在逆变器120的运行期间，逆变器120可以通过电池150接收关于第二范围内的负载变化的电力，并且通过超级电容器160接收关于第三范围内的快速负载变化的电力。

以下，将更详细地描述根据本公开的具有上述结构的燃料电池系统的操作流程。

图4是示出根据本公开的实施例的用于在燃料电池系统启动时控制电力的方法的操作流程的视图。

参考图4，当电力组启动(S110)时，燃料电池系统控制第二转换器180导通(S120)，并控制电力继电器组件(PRA)190导通(S150)。

当在S120中通过第二转换器180将电池150的电力提供给辅助设备140时，燃料电池系统启动燃料电池堆110(S130)。

同时，在S150中，当第一转换器170的输出电压等于电力继电器组件PRA 190的预充电继电器的超级电容器160的电压时(S160)，燃料电池系统控制第一转换器170导通(S170)。

此后，燃料电池系统通过第二转换器180和第一转换器170将电池150的电力提供给超级电容器160，启动对超级电容器160充电(S180)。

燃料电池系统确定燃料电池堆110的启动是否完成(S140)。此外，燃料电池系统确定超级电容器160的充电是否完成(S190)。

当确认燃料电池堆110的启动状态并且确认超级电容器160的充电完成状态(S200)时，燃料电池系统终止电力组的启动(S210)。

此后，燃料电池系统可以启动燃料电池系统的操作。

图5是示出根据本公开的实施例的用于在燃料电池系统运行期间控制电力的方法的操作流程的视图。

参考图5，当操作逆变器120时(S310)，燃料电池系统测量负载(S320)。

燃料电池系统基于HPF计算在S320中测量的负载的变化(S330)，并将与在S330中计算的负载变化相对应的电力从超级电容器160提供到逆变器120(S340)。

此外，燃料电池系统计算除了S340中的超级电容器160提供的电力之外的S320中测量的负载的剩余部分，作为燃料电池堆110和电池150的附加所需电力，并且基于燃料电池堆110和电池150的附加所需电力来设置第一转换器170的输出(S350)。

将参考图6A描述在步骤S350中设置第一转换器170的输出的详细操作。

参考图6A，燃料电池系统可以通过第一转换器(HDC)170提供燃料电池堆110和电池150的附加所需电力(FC+BAT所需电力)，其通过从逆变器的负载中减去超级电容器160的目标电力(Scap目标电力)而获得。

在这种情况下，可以通过从Scap所需电力中减去特定的Scap电力来获得Scap目标电力。可以基于逆变器120的负载中的高通滤波器(HPF)来计算Scap所需电力。可以通过将通过从基于Scap的目标SOC计算的Scap目标电压减去测量的Scap电压而获得的电压值施加到查找表(LUT)来获得特定Scap电力。

此外，燃料电池系统可以基于FC+BAT所需电力与Scap测量电压的比率来设置第一转换器HDC 170的输出电流。

此外，燃料电池系统可以基于测量的Scap电压来设置第一转换器HDC 170的输出电压。

此外，燃料电池系统基于燃料电池堆110和电池150的附加所需电力的带通滤波器(BPF)计算负载变化(S360)。在这种情况下，燃料电池系统可以基于在S360中计算的负载变化来计算电池150的目标电力。

燃料电池系统基于电池150的目标电力和燃料电池堆110的目标电力来设置第二转换器180的输出(S370)。

将参考图6B描述在S370中设置第二转换器180的输出的详细操作。

参考图6B，燃料电池系统可以根据电池150的目标电力(BAT目标电力)与电池150的测量电压(BAT测量电压)的比率来设置第二转换器BHDC 180的输出电流。

在这种情况下，可以通过从BAT所需电力中减去特定BAT电力来获得BAT目标电力。可以基于BPF从附加所需电力FC+BAT计算BAT所需电力。可以通过将通过从基于BAT目标SOC计算的BAT目标电压减去BAT测量的电压而获得的电压值施加到查找表LUT来获得特定BAT电力。

此外，燃料电池系统可以基于燃料电池堆110的目标电压来设置第二转换器BHDC180的输出电压。

在这种情况下，可以通过将FC目标电力施加到查找表LUT来获得FC目标电压。可以通过将辅助设备140的所需电力与FC所需电力相加来获得FC目标电力。此外，可以通过从BAT+FC所需电力中减去BAT目标电力来获得FC所需电力。

当通过上述处理确定了第一转换器170和第二转换器180的输出时，燃料电池堆110和电池150向逆变器120提供电力(S380)。在步骤S380中，燃料电池堆110可以通过第一转换器170向逆变器120提供电力，并且电池150可以通过第二转换器180和第一转换器170向逆变器120提供电力。

在上文中，尽管已经参照示例性实施例和附图描述了本公开，但本公开并不限于此，而是可以由本公开所属领域的技术人员进行各种修改和改变，而不脱离在所附权利要求中要求的本公开的精神和范围。

根据本公开，可以用电力继电器组件(PRA)代替应用于电力网的转换器，从而最小化转换器的数量以降低成本并有效地操作几种能源。

因此，提供本公开的实施例是为了解释本公开的精神和范围，而不是限制它们，因此，本公开的精神和范围不受此限制。本公开的保护范围应由所附权利要求解释，并且其所有等同物应当理解为包括在本公开的范围内。

在上文中，尽管已经参照示例性实施例和附图描述了本公开，但本公开并不限于此，而是可以由本公开所属领域的技术人员进行各种修改和改变，而不脱离在所附权利要求中要求的本公开的精神和范围。

Claims (23)

1.一种燃料电池系统，包括：

第一转换器，被配置为将从燃料电池堆或充电电池输出的电力转换为特定水平的电力；

第二转换器，被配置为转换输入到所述充电电池的电力或从所述充电电池输出的电力；

电力继电器组件，被配置为控制超级电容器与所述第一转换器之间的电力流；以及

控制器，被配置为根据所述燃料电池系统的启动状态或运行状态来控制所述第一转换器和所述第二转换器的输出，并且控制所述电力继电器组件的操作。

2.根据权利要求1所述的燃料电池系统，其中，所述第一转换器布置在主总线级上，以将所述燃料电池堆连接到逆变器，并且

其中，所述第二转换器的一端在所述燃料电池堆与所述第一转换器之间连接到所述主总线级，并且所述第二转换器的相对端连接到所述充电电池，并且所述第二转换器被配置为调节双向电力流。

3.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中，所述第二转换器被配置为在所述燃料电池系统启动时，通过使用从所述充电电池释放的电力来提供所述燃料电池系统的启动电力和所述超级电容器的充电电力。

4.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其中，所述第一转换器被配置为在所述燃料电池系统启动时，通过所述电力继电器组件向所述超级电容器提供从所述第二转换器接收的所述充电电力。

5.根据权利要求4所述的燃料电池系统，其中，所述电力继电器组件被配置为：在通过所述第一转换器接收所述充电电力之前，通过使用预充电继电器来调节所述第一转换器的输出级与所述超级电容器之间的电压；并且在所述充电电力通过所述第一转换器提供时，通过使用主继电器来向所述超级电容器提供所述充电电力。

6.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其中，所述控制器被配置为：

在所述燃料电池系统启动时，以恒定电流模式操作所述第一转换器，并且以恒定电压模式操作所述第二转换器。

7.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其中，所述控制器被配置为：

在所述燃料电池系统启动时，将所述燃料电池堆的启动电压设置为所述第二转换器的输出电压，并且

将所述第二转换器的极限电流或所述充电电池的允许放电电流设置为所述第二转换器的限制电流。

8.根据权利要求3所述的燃料电池系统，其中，所述控制器被配置为：

在所述燃料电池系统启动时，将所述超级电容器的充电电压设置为所述第一转换器的输出电压；

将通过从所述充电电池的允许放电电流减去辅助设备的所需电流而获得的值设置为所述第一转换器的输出电流；并且

将所述第一转换器的极限电流或所述超级电容器的允许充电电流设置为所述第一转换器的限制电流。

9.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中，所述第二转换器被配置为在所述燃料电池系统运行时，调节从所述充电电池释放的输出电力，并且

其中，所述第一转换器被配置为在所述燃料电池系统运行时，调节通过所述燃料电池堆和所述第二转换器中的至少一者输出的电力，并且向所述逆变器输出所调节的电力。

10.根据权利要求9所述的燃料电池系统，其中，所述控制器被配置为：

在所述燃料电池系统运行时，以恒定电流模式操作所述第一转换器，并且以恒定电压模式操作所述第二转换器。

11.根据权利要求9所述的燃料电池系统，其中，所述控制器被配置为：

在所述燃料电池系统运行时，基于所述超级电容器的测量电压设置所述第一转换器的输出电压；

基于所述燃料电池堆和所述充电电池的附加所需电力与所述超级电容器的所述测量电压之间的比率，设置所述第一转换器的输出电流；并且

基于所述第一转换器的极限电流设置所述第一转换器的限制电流。

12.根据权利要求9所述的燃料电池系统，其中，所述控制器被配置为：

在所述燃料电池系统运行时，基于所述燃料电池堆的目标电压设置所述第二转换器的输出电压；

基于所述充电电池的目标电力与所述充电电池的测量电压之间的比率，设置所述第二转换器的输出电流；并且

基于所述充电电池的允许放电电流设置所述第二转换器的限制电流。

13.根据权利要求2所述的燃料电池系统，其中，所述电力继电器组件被配置为在所述燃料电池系统运行时向所述逆变器提供从所述超级电容器释放的电力。

14.一种用于控制燃料电池系统的电力的方法，所述方法包括：

设置第一转换器的输出，所述第一转换器的输出根据所述燃料电池系统的启动状态或运行状态来调节从燃料电池堆或充电电池输出的电力；并且设置第二转换器的输出，所述第二转换器的输出调节输入到所述充电电池的电力或从所述充电电池输出的电力；

根据所述燃料电池系统的所述启动状态或所述运行状态，来控制电力继电器组件的操作；并且

根据所述第一转换器的输出、和所述第二转换器的输出、以及所述电力继电器组件的操作，来控制所述燃料电池堆、所述充电电池和超级电容器的电力供应。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，设置所述第一转换器的输出和所述第二转换器的输出包括：

在所述燃料电池系统启动时，将所述燃料电池堆的启动电压设置为所述第二转换器的输出电压；并且

将所述第二转换器的极限电流或所述充电电池的允许放电电流设置为所述第二转换器的限制电流。

16.根据权利要求14所述的方法，其中，设置所述第一转换器的输出和所述第二转换器的输出包括：

在所述燃料电池系统启动时，将所述超级电容器的充电电压设置为所述第一转换器的输出电压；

将通过从所述充电电池的允许放电电流减去辅助设备的所需电流而获得的值设置为所述第一转换器的输出电流；并且

将所述第一转换器的极限电流或所述超级电容器的允许充电电流设置为所述第一转换器的限制电流。

17.根据权利要求14所述的方法，其中，控制所述电力供应包括：

在所述燃料电池系统启动时，由所述第二转换器使用从所述充电电池释放的电力来提供所述燃料电池系统的启动电力。

18.根据权利要求14所述的方法，其中，控制所述电力供应包括：

在所述燃料电池系统启动时，由所述第二转换器通过使用从所述充电电池释放的电力来向所述超级电容器提供充电电力；并且

在所述燃料电池系统启动时，由所述第一转换器调节从所述第二转换器接收的所述充电电力，并且通过所述电力继电器组件向所述超级电容器提供调节后的所述充电电力。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，控制所述电力供应包括：

在向所述超级电容器提供所述充电电力之前，由连接到所述超级电容器的所述电力继电器组件通过使用预充电继电器来调节所述第一转换器的输出级与所述超级电容器之间的电压；并且

在通过所述第一转换器提供所述充电电力时，由所述电力继电器组件通过使用主继电器来向所述超级电容器提供所述充电电力。

20.根据权利要求14所述的方法，其中，设置所述第一转换器的输出和所述第二转换器的输出包括：

在所述燃料电池系统运行时，基于所述超级电容器的测量电压设置所述第一转换器的输出电压；

基于所述燃料电池堆和所述充电电池的附加所需电力与所述超级电容器的所述测量电压之间的比率，设置所述第一转换器的输出电流；并且

基于所述第一转换器的极限电流设置所述第一转换器的限制电流。

21.根据权利要求14所述的方法，其中，设置所述第一转换器的输出和所述第二转换器的输出包括：

在所述燃料电池系统运行时，基于所述燃料电池堆的目标电压设置所述第二转换器的输出电压；

基于所述充电电池的目标电力与所述充电电池的测量电压之间的比率，设置所述第二转换器的输出电流；并且

基于所述充电电池的允许放电电流设置所述第二转换器的限制电流。

22.根据权利要求14所述的方法，其中，控制所述电力供应包括：

在所述燃料电池系统运行时，由所述第二转换器调节并输出从所述充电电池释放的电力；并且

由所述第一转换器调节通过所述燃料电池堆和所述第二转换器中的至少一者输出的电力，并且向逆变器提供所调节的电力。

23.根据权利要求14所述的方法，其中，控制所述电力供应包括：

在所述燃料电池系统运行时，由所述电力继电器组件向逆变器提供从所述超级电容器释放的电力。

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