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Abstract

一种用于由燃料电池供能的车辆的控制系统，包括通过电压总线与该燃料电池连通的电压转换设备，和由该燃料电池通过该电压总线选择性供能并且在该电压总线中选择性产生波纹电流的推进系统。该电压转换设备被调节以选择性产生用于减少该波纹电流的反波纹电流。

Description

用于燃料电池应用的有源直流总线滤波器
技术领域
本发明涉及燃料电池系统，尤其涉及消除燃料电池系统中的电流波纹(current ripple)。
背景技术
车辆系统可以包括燃料电池组，用于产生能量以通过电压总线对推进系统和/或辅助电系统供能。该推进系统包括产生传动转矩的电机。燃料电池组所产生的多余能量可以被存储在能量储存设备(ESD)中。由其他装置，包括但不限于再生制动装置所产生的能量也可以由ESD储存。ESD可以用于选择性地补充燃料电池组以对该推进和/或辅助电系统供能。例如，ESD汽车可以用于在起动周期期间对车辆系统部件供能。
在正常工作期间，功率从燃料电池组流到推进系统。在某些工作条件下，该推进系统以六步进模式(six-stepmode)工作。在六步进模式中，该电机的转矩性能在高速时最大化。当以六步进模式工作时，在电压总线中产生低频波纹电流。该波纹电流会对燃料电池组产生不利影响。
为了对来自电压总线的低频波纹电流充分滤波，需要相对较高的性能。在薄膜型散装电容器的情况中，不易制造足够大的电容器。虽然可以使用铝电解电容器，但是它们具有相对较低的电流操控性能。因此需要相当数量的电容器，这就对整体系统成本和大小产生了不利影响。
发明内容
因此，本发明提供了一种用于由燃料电池供能的车辆的控制系统。该控制系统包括通过电压总线与燃料电池连通的电压转换设备，和由燃料电池通过电压总线选择性供能并且在电压总线中选择性产生波纹电流的推进系统。该电压转换设备被调节以选择性产生反波纹电流以减少该波纹电流。
在一个特征中，该推进系统在以六步进模式工作时产生波纹电流。
在另一特征中，当燃料电池对推进系统供能时，调节该电压转换设备以选择性产生反波纹电流。
在另一特征中，该电压转换设备包括DC/DC转换器。
在另一特征中，该波纹电流是A/C波纹电流。
在另一特征中，该反波纹电流是A/C反波纹电流。
在另一特征中，该控制系统还包括通过电压总线对推进系统选择性供能的能量储存设备。由燃料电池产生的能量被能量储存设备选择性储存。
在另一特征中，该电压总线是DC电压总线。
根据下文中提供的详细说明，本发明的其他应用方面将变得清楚。应当理解，该详细说明和特定示例虽然给出了本发明的优选实施例，但是仅用于说明性目的而不是要限制本发明的范围。
附图说明
根据该详细说明和附图，本发明将变得更容易理解，其中：
图1是根据本发明的示例性燃料电池系统的功能性框图；
图2是图1的燃料电池系统的示例性DC/DC转换器的示意性说明；
图3是示出了由本发明的转换器控制系统所执行的步骤的流程图；
图4A是示出了具有波纹的燃料电池组电流的曲线图；
图4B是示出了减少波纹的燃料电池组电流的曲线图；
图5A是示出了具有波纹的DC总线电压的曲线图；
图5B是示出了减少波纹的DC总线电压的曲线图。
具体实施方式
以下对于优选实施例的说明实质上仅仅是示例性的，而决不是要限制本发明、其应用或用途。为了清楚起见，在附图中将使用相同的参考数字来标识相似的元件。如这里所使用的，术语模块是指特定用途集成电路(ASIC)、电子电路、用于执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共用、专用或群集)和存储器、组合逻辑电路、和/或提供所述功能的其他适当部件。
现在参照图1，示出了一个示例性车辆系统10。车辆系统10包括燃料电池组12、能量储存设备(ESD)14和推进系统16。燃料电池组12通过处理阳极和阴极反应物(例如分别为H2和O2)来产生能量。燃料电池组12所产生的能量用于对推进系统16供能。一部分能量可以被储存在ESD14中。储存在ESD14中的能量可以用于对推进系统供能以补充燃料电池组12。
电流沿电压总线18在车辆系统的部件之间传输。更特别地，电压总线18提供燃料电池组12、ESD14和推进系统16之间的电连通。DC/DC转换器20被设置在电压总线18和ESD14之间。DC/DC转换器20优选为在电压总线18和ESD14之间提供接口的双向DC/DC转换器。以这种方式，ESD14可以储存由燃料电池组12产生的能量，并且可以提供能量以驱动推进系统16。该DC/DC转换器在相对较高的电压总线(例如255V-425V)和相对较低的电压总线ESD(例如200V-400V)之间传输能量。
车辆系统10还包括控制模块22，用于调节这里所述的各个部件的操作。更特别地，控制模块22基于本发明的转换器控制系统而调节DC/DC转换器20的操作。控制模块22基于操作员输入24所产生的信号而产生控制信号，该操作员输入24包括但不限于，点火装置、加速器和制动器。例如，在点火装置的情况下，控制模块22控制DC/DC转换器20以使得ESD14在起动周期期间对车辆系统部件(例如阴极反应物压缩机(未示出))供能。在制动器的情况下，控制模块22控制DC/DC转换器20以使得ESD14储存在再生制动期间产生的能量。在加速器的情况下，控制模块22控制推进系统16以驱动车辆。
推进系统16包括推进控制模块26和电机28。推进控制模块26基于控制模块22所产生的控制信号调节电机28的操作。更特别地，推进控制模块26包括反相器(未示出)，用于将来自电压总线18的DC电压反转化为AC电压以驱动电机28。电机28是包括外部定子和内部转子的AC电机。外部定子包括三个相位绕组。当对相位绕组应用AC电流时，会产生变化的电磁场并且感应转子旋转。电机28包括基本速度，即电机28被设计工作的最快速度。
在某些工作条件下，电机28以六步进模式工作。当电机28以基本速度或以上的速度旋转时会发生六步进模式。更特别地，当电机28在基本速度或以上的速度时，电机28的后EMF相对较高。DC输入电压不够高，从而不能使该反相器产生峰值额定相位电流。因此，该反相器输出占空因数(duty cycle)即脉宽调制(PWM)占空因数是最大值(即等于1)，以便最大化电机28的输出。对于电循环的180°，接通反相器的每个绝缘栅双极晶体管(IGBT)。当以这种方式切换所有六个IGBT时，电动机绕组电压波形(相位为中性)在每个循环具有六个不同步进(即六步进模式)。
当以六步进模式工作时，反相器的绝缘栅双极晶体管(IGBT)的正常频率切换(例如10kHz)停止，并且该每个IGBT在每个循环中仅切换一次。例如，如果输出电流的基频为200Hz，那么在六步进模式中在200Hz切换每个IGBT。当以这种方式切换所有IGBT时，电压总线18上的干扰或波纹电流是该输出电流基频的六倍，这是比反相器的正常切换频率(例如10kHz)低得多的频率。DC总线电容器对于滤除所得到的六步进波纹是无效的。然而，该六步进模式显著增加了电机28的输出功率。更特别地，该六步进模式最大化了电机28在高速时的转矩性能。
现在参照图2，对DC/DC转换器20进行更详细的说明。DC/DC转换器20包括高压侧30和低压侧32。高压侧30与燃料电池组12电连通，而低压侧32与ESD14电连通。高压侧30包括电阻器36、38，电容器40，和一对半导体开关42、44，其中每个半导体开关42、44分别包括二极管46、48。类似地，低压侧32包括电阻器50、52，电容器54，和一对半导体开关56、58，其中每个半导体开关56、58分别包括二极管60、62。高压侧30和低压侧32通过电阻器64和电感器66电连通。
当功率从低压侧32流向高压侧30时，DC/DC转换器20以升压(boost)/放电模式工作以便对高压侧负载(例如电机28)供能。当功率从高压侧30流向低压侧32时，DC/DC转换器20以降压(buck)模式工作以便对ESD14充电。半导体开关42、44、56、58在导电和不导电模式之间选择性切换以调节经过DC/DC转换器20传输的功率。更特别地，当电机28以六步进模式工作时，本发明的转换器控制系统选择性地切换半导体开关42、44、56、58以产生反波纹电流。该反波纹电流优选为注入电压总线18的AC电流。以这种方式，通过反波纹电流抵消了六步进模式工作而产生的波纹电流。该反波纹电流的频率由控制模块22并且基于车辆速度确定。可以根据推进系统16提供的信号确定该车辆速度。控制模块22基于该车辆速度产生控制信号以产生预期的反波纹电流。
现在参照图3，对转换器控制系统的工作进行详细说明。在步骤300，控制判断燃料电池组12是否对推进系统16供能。如果燃料电池组12没有对推进系统16供能，则控制循环返回。如果燃料电池组12对推进系统16供能，控制在步骤302判断推进系统16是否以六步进模式工作。如果推进系统16没有以六步进模式工作，控制循环返回步骤300。如果推进系统16是以六步进模式工作，控制操作DC/DC转换器20以在电压总线18上产生反波纹电流，控制结束。
现在参照图4A、4B、5A和5B，示出了本发明的转换器控制系统的优点。图4A示出了当以六步进模式工作时在电压总线18中产生的具有波纹电流的示例性燃料电池组电流。更特别地，图4A的燃料电池电流包括DC电流和AC波纹电流。图4B示出了根据本发明通过DC/DC转换器20所产生的反波纹电流得到的具有低波纹电流的示例性燃料电池组。图5A示出了当以六步进模式工作时在电压总线18中产生的具有波纹电流的示例性DC总线电压。图5B示出了根据本发明通过DC/DC转换器20所产生的反波纹电流得到的具有低波纹电流的示例性DC总线电压。
根据前述说明，本领域技术人员现在可以认识到，本发明的宽泛教导可以以各种形式实现。因此，虽然发明人结合特定示例进行了说明，但是本发明的实际范围不应对被限制于此，因为基于对附图、实施例和所附权利要求的学习，技术人员将会明白其他的修改方式。

Claims (26)

1.一种用于由燃料电池供能的车辆的控制系统，包括：
电压转换设备，通过电压总线与所述燃料电池连通；
推进系统，由所述燃料电池通过所述电压总线选择性供能，并且在所述电压总线中选择性产生波纹电流，其中所述电压转换设备被调节以选择性产生用于减少所述波纹电流的反波纹电流。
2.如权利要求1所述的控制系统，其中所述推进系统在以六步进模式工作时产生所述波纹电流。
3.如权利要求1所述的控制系统，其中当所述燃料电池对所述推进系统供能时，调节所述电压转换设备以选择性产生所述反波纹电流。
4.如权利要求1所述的控制系统，其中所述电压转换设备包括DC/DC转换器。
5.如权利要求1所述的控制系统，其中所述波纹电流是A/C波纹电流。
6.如权利要求1所述的控制系统，其中所述反波纹电流是A/C反波纹电流。
7.如权利要求1所述的控制系统，还包括能量储存设备，用于通过所述电压总线对所述推进系统进行选择性供能。
8.如权利要求7所述的控制系统，其中由所述燃料电池产生的能量被所述能量储存设备选择性储存。
9.如权利要求1所述的控制系统，其中所述电压总线是DC电压总线。
10.一种减少燃料电池系统中的波纹电流的方法，包括：
使用所述燃料电池通过电压总线对推进系统选择性供能；
选择性操作所述推进系统以在所述电压总线中产生波纹电流；和
调节与所述电压总线连通的电压转换设备以选择性产生反波纹电流，从而减少所述波纹电流。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述操作所述推进系统以产生所述波纹电流的步骤包括以六步进模式操作所述推进系统。
12.如权利要求10所述的方法，其中所述调节所述电压转换设备以选择性产生所述反波纹电流的步骤发生在所述燃料电池对所述推进系统供能时。
13.如权利要求10所述的方法，其中所述电压转换设备包括DC/DC转换器。
14.如权利要求10所述的方法，其中所述波纹电流是A/C波纹电流。
15.如权利要求10所述的方法，其中所述反波纹电流是A/C反波纹电流。
16.如权利要求10所述的方法，还包括使用能量储存设备通过所述电压总线对所述推进系统选择性供能。
17.如权利要求16所述的方法，还包括使用所述能量储存设备选择性储存由所述燃料电池产生的能量。
18.如权利要求10所述的方法，其中所述电压总线是DC电压总线。
19.一种用于在由燃料电池供能的车辆中减少电压总线中的波纹电流的控制系统，包括：
电压转换设备，通过所述电压总线与所述燃料电池连通；
推进系统，被以六步进模式选择性操作，并且由所述燃料电池通过所述电压总线选择性供能；和
控制模块，调节所述电压转换设备以选择性产生反波纹电流，用于减少当以所述六步进模式操作所述推进系统时所产生的波纹电流。
20.如权利要求19所述的控制系统，其中当所述燃料电池对所述推进系统供能时，所述控制模块调节所述电压转换设备以选择性产生所述反波纹电流。
21.如权利要求19所述的控制系统，其中所述电压转换设备包括DC/DC转换器。
22.如权利要求19所述的控制系统，其中所述波纹电流是A/C波纹电流。
23.如权利要求19所述的控制系统，其中所述反波纹电流是A/C反波纹电流。
24.如权利要求19所述的控制系统，还包括能量储存设备，用于通过所述电压总线对所述推进系统选择性供能。
25.如权利要求24所述的控制系统，其中由所述燃料电池产生的能量被所述能量储存设备选择性储存。
26.如权利要求19所述的控制系统，其中所述电压总线是DC电压总线。
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Cheng et al. The design and control of an electrified powertrain with switched reluctance machines for series Hybrid Electric Vehicle

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