燃料電池系統的驅動控制方法和系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明一般涉及燃料電池系統的驅動控制方法和系統，更具體地，涉及基于燃料電池堆狀態(tài)的可變恢復模式驅動控制方法。
【背景技術】
[0002]適用于氫燃料電池車輛、生態(tài)友好型車輛的燃料電池系統由如下組成:被配置成從反應氣體的電化學反應生成電力的燃料電池堆；被配置成將作為燃料的氫氣供給到燃料電池堆的氫氣供給系統；被配置成供給包括在電化學反應中作為氧化劑的氧的氣體的空氣供給系統；和被配置成通過發(fā)熱(其是電化學反應的副產物)來管理水并且保持用于驅動的最佳燃料電池堆溫度的熱量和水管理系統。
[0003]在這樣的車輛燃料電池系統中，當燃料電池用作車輛的唯一動力源時，它承擔車輛的所有負載，并且因此車輛顯示在其中燃料電池效率降低的操作范圍中的較差性能。另夕卜，在突然的重功率負載被置于車輛上的情況下，由于燃料電池的輸出功率迅速減少并且可能不能向驅動電機提供足夠的電力，車輛性能會降低。眾所周知，由于使用化學反應來生成電力，燃料電池可能無法應付快速的負載變化。
[0004]此外，由于燃料電池具有單向輸出，在制動車輛時從驅動電機引入的能量可能無法恢復，導致在車輛系統效率上的降低。作為這些問題的解決方案，除了燃料電池作為主動力源之外，諸如可再充電的高電壓電池或超級電容器(超級電容)的能量儲存裝置可被用作輔助動力源以對驅動電機和高電壓需求部件供電。
[0005]同時，氫跨界(hydrogen crossover)是保留在陽極中的氫直接越過電解質膜而不產生電力，并且與在陰極處的氧發(fā)生反應的現象。為了減少氫跨界率，陽極壓力應在低功率區(qū)域中降低，同時陽極壓力應在高功率區(qū)域中增加。氫跨界率隨著在陽極壓力(例如，氫氣壓力)的增加而增加。由于氫跨界具有對燃料電池的燃料效率和耐久性的不利影響，所以有必要適當地調節(jié)陽極壓力。氫氣排氣閥用于相關技術以通過釋放雜質和冷凝水來確保電池堆的性能；并且陽極出口連接到聚水器，當冷凝水的量達到預定水平時，該陽極出口通過閥放出冷凝水。
[0006]為了根據需要提高燃料效率，在車輛驅動期間(燃料電池熄火/燃料電池重新啟動過程)，已使用用于暫時停止在燃料電池混合動力車輛中的燃料電池的發(fā)電的怠速啟停系統(例如，燃料電池的開/關控制過程)。在驅動期間燃料電池的發(fā)電停止和重啟中，燃料電池堆通過空氣流的干燥、以及車輛的再加速和燃料效率全部被控制。
[0007]現有技術的系統公開了，與電池的強制充電或輔助負載的使用一起，通過經旁路的空氣轉向降低向燃料電池堆的空氣供給，以防止在低功率區(qū)域中以近開路電壓驅動燃料電池。另一開發(fā)的現有技術涉及當燃料電池堆在相當高的溫度驅動時，通過根據電池充電量的燃料電池堆的強制電壓下降而對電池充電的方法。此外，另一種現有技術涉及一種燃料電池混合動力系統的控制方法，為了燃料效率的目的，停止燃料電池在低功率區(qū)域中的發(fā)電并且在發(fā)電時僅以預定電壓使用燃料電池。

【發(fā)明內容】

[0008]因此，本發(fā)明提供其中根據燃料電池堆的狀態(tài)選擇恢復驅動模式的燃料電池系統的驅動控制方法。
[0009]根據本發(fā)明的一個示例性實施方式的燃料電池系統的驅動控制方法可包括:基于空氣向燃料電池堆的過量供給或燃料電池堆的劣化，確定燃料電池堆何時缺水；根據該確定對燃料電池系統的診斷水平進行分類；以及執(zhí)行與分類的診斷水平對應的至少一個恢復驅動模式。
[0010]分類過程可包括將第一狀態(tài)分類為第一診斷水平，該第一狀態(tài)是如下狀態(tài):其中由于燃料電池系統的故障，預計向燃料電池堆過量供給空氣。該分類也可包括將第二狀態(tài)分類為第二診斷水平，該第二狀態(tài)是如下狀態(tài):其中由于向燃料電池堆過量供給空氣，預計燃料電池堆缺水。
[0011]可基于以下確定第二狀態(tài):相對于燃料電池堆的輸出電流消耗的空氣到燃料電池堆的過供給量的變化，或從燃料電池堆的陰極中的相對濕度估計值所計算的陰極中的剩余水的變化。第二狀態(tài)可以是如下狀態(tài):其中從空氣過供給量和燃料電池堆的驅動溫度計算的值大于第一參考值，空氣過供給量是燃料電池堆的輸出電流消耗所需的空氣量與供給到燃料電池堆的空氣量之間的差。
[0012]此外，第二狀態(tài)可以是如下狀態(tài):其中從供給到燃料電池堆的空氣量與燃料電池堆的輸出電流消耗所需的空氣量的比率、和燃料電池堆的驅動溫度計算的值，大于第一參考值?；谌剂想姵囟训年帢O入口和出口的溫度、燃料電池堆的入口的空氣流量、和燃料電池堆中生成的電流量，可獲得燃料電池堆的陰極中的相對濕度估計值。當在陰極出口的相對濕度是該估計值時和當在陰極出口的相對濕度處于約90%至110%的范圍中時，基于陰極出口中的水蒸汽流量可計算剩余水的變化。
[0013]陰極出口的水蒸汽流量可通過陰極出口的水蒸汽壓力、基于燃料電池堆入口的空氣流量的陰極出口的空氣壓力、和燃料電池堆入口的空氣流量來計算。分類診斷水平的過程可包括，當如在確定過程中針對燃料電池的電流和電壓、阻抗或電流中斷所診斷到的，燃料電池堆的劣化由于缺水進行到第三狀態(tài)時，將燃料電池系統分類為第三診斷水平。
[0014]恢復驅動模式可包括用于通過調節(jié)燃料電池堆的冷卻劑入口和出口的溫度而強制冷卻燃料電池堆的恢復驅動模式、用于減輕燃料電池系統的怠速熄火(idle stop)的準入條件的恢復驅動模式、用于降低連接到燃料電池堆輸出端的主總線端子的電壓的恢復驅動模式、用于減少空氣流入量的恢復驅動模式、以及用于以最小化學計量比(SR)驅動燃料電池堆的恢復驅動模式。
[0015]可通過將冷卻劑入口和出口的目標溫度設定為比參考溫度更低的值來運行用于強制冷卻燃料電池堆的恢復驅動模式。隨著冷卻劑入口和出口的溫度被設定為以預定的偏移量高于實際溫度，可運行用于強制冷卻燃料電池堆的恢復驅動模式。通過基于分類的診斷水平改變設定參考溫度和偏移，可運行恢復驅動過程。用于怠速熄火的準入條件是燃料電池車輛被賦予小于預定參考值的負載，并且具有大于預定充電狀態(tài)(S0C)的蓄電池充電狀態(tài)；并且用于減輕怠速熄火的準入條件的恢復驅動模式是增加預定參考值并且降低預定的充電狀態(tài)。
[0016]燃料電池堆可在如下恢復驅動模式下運行:其中基于分類的診斷水平，預定參考值增加并且預定的充電狀態(tài)降低。當燃料電池堆在用于降低連接到燃料電池堆輸出端的主總線端子的電壓的恢復驅動模式下運行時，控制器可被配置成確定在進行恢復驅動之前蓄電池是否有可能充電；以及其中在用于降低主總線端子的電壓的恢復驅動模式中可運行燃料電池堆，以降低主總線端子的驅動電壓的上限，由此，燃料電池堆的輸出功率可避免小于預定的輸出功率。
[0017]甚至在再生制動期間，可基于分類的診斷水平，在用于降低連接到燃料電池堆輸出端的主總線端子的電壓的恢復驅動模式下運行燃料電池堆。當在執(zhí)行恢復驅動之前確定蓄電池是否有可能充電的過程中蓄電池的充電狀態(tài)(S0C)大于預定的S0C時，可運行燃料電池堆以驅動連接到燃料電池堆輸出端的高電壓加熱器。
[0018]當在用于降低連接到燃料電池堆輸出端的主總線端子的電壓的恢復驅動模式下運行燃料電池堆時，基于分類的診斷水平，可降低連接到燃料電池堆輸出端的主總線端子的電壓上限。當燃料電池堆在用于減少空氣流入量的恢復驅動模式下運行時，空氣流入量可基于分類的診斷水平而降低。
[0019]旨在以最小化學計量比(SR)驅動燃料電池堆的恢復驅動模式是，基于從燃料電池堆的陰極入口和出口的溫度所估計的燃料電池堆陰極中的相對濕度、燃料電池堆入口的空氣流量、和燃料電池堆的生成電流，降低化學計量比的控制區(qū)域。當燃料電池堆以最小化學計量比(SR)在恢復驅動模式下運行時，基于分類的診斷水平可降低化學計量比控制區(qū)域?；诜诸惖脑\斷水平，燃料電池堆可在從各種驅動模式中選擇的一個模式下運行。
[0020]根據燃料電池系統的驅動控制方法的一個示例性實施方式，有可能防止燃料電池堆干燥，并且通過在干燥狀態(tài)中的恢復驅動過程來增加燃料電池堆的耐用性。此外，由于燃料電池系統內的問題或燃料電池堆的驅動模式導致的性能降低可被最小化，并且初始驅動性能可更加一貫地保持。
【附圖說明】
[0021]本發(fā)明的以上和其它目的、特征和其它優(yōu)點將從結合附圖的以下詳細描述中更加顯而易見，其中:
[0022]圖1是根據本發(fā)明的一個示例性實施方式的燃料電池系統的電力網的示例性框圖；
[0023]圖2是用于根據本發(fā)明的一個示例性實施方式的燃料電池系統操作的標準的示例性視圖；
[0024]圖3是根據本發(fā)明的一個示例性實施方式的燃料電池系統的怠速熄火和重啟過程的示例性視圖；
[0025]圖4是就電壓和電流隨著時間的變化而言，根據本發(fā)明的一個示例性實施方式的燃料電池系統的怠速熄火和重啟過程的示例性視圖；
[0026]圖5是總結在根據本發(fā)明的一個示例性實施方式的燃料電池系統的驅動控制方法中使用的按診斷水平的狀態(tài)檢測、連同狀態(tài)的原因的示例表；
[0027]圖6是在根據本發(fā)明的一個示例性實施方式的燃料電池系統的驅動控制方法中示出相對濕度估計模型的示例性示意圖；
[0028]圖7至圖10是根據本發(fā)明的示例性實施方式的燃料電池系統的驅動控制方法的示例性流程圖；
[0029]圖11是示出根據本發(fā)明的一個示例性實施方式的強制冷卻恢復驅動的示例性視圖；
[0030]圖12是示出與根據本發(fā)明的一個示例性實施方式的燃料電池堆的狀態(tài)對應的恢復驅動模式的示例表；
[0031]圖13是示意性示出根據本發(fā)明的一個示例性實施方式對空氣供給的可變化學計量比控制的示例性視圖；以及
[0032]圖14示出證明與傳統技術相比本發(fā)明的示例性實施方式的效果的示例性圖。
【具體實施方式】
[0033]應該理解，本文使用的術語“車輛”或“車輛的”或其它類似術語通常包括機動車輛，如包括運動型多功能車(SUV)、公共汽車、卡車、各種商用車在內的乘用車、包括各種小船和輪船的船舶、飛機等，并包括混合動力車輛、電動車輛、插入式混合動力電動車輛、氫能源車輛和其它替代燃料車輛(例如源自非石油資源的燃料)。如本文所述，混合動力車輛是指有兩種或更多種動力源的車輛，例如同時有汽油動力和電動力的車輛。
[0034]應該理解示例性的過程可通過一個或多個模塊執(zhí)行。此外，應理解術語“控制器/控制單元”指包括存儲器和處理器的硬件設備。存儲器經配置為存儲模塊，并且處理器具體配置為執(zhí)行所述模塊從而執(zhí)行下面進一步描述的一個或多個過程。
[0035]此外，本發(fā)明的控制邏輯也可體現為計算機可讀介質上的非暫時計算機可讀介質，該計算機可讀介質包含由處理器、控制器/控制單元等執(zhí)行的可執(zhí)行程序指令。計算機可讀介質的例子包括但不限于ROM、RAM、壓縮光盤(CD)-ROM、磁帶、軟盤、閃存驅動器、