[发明专利]燃料电池车辆中的高电压总线控制的方法

说明书

技术领域

本发明总体上涉及用于在高电压蓄电池发生故障的情况下在燃料电池车辆中提供高电压总线控制的系统和方法，且更具体地涉及用于在高电压蓄电池发生故障的情况下在燃料电池车辆中提供高电压总线控制的系统和方法，其中，所述系统采用燃料电池升压电路，用于将燃料电池堆联接到高电压总线，所述燃料电池升压电路在蓄电池故障期间基于燃料电池堆电压来调节高电压设定点。

背景技术

氢是非常有吸引力的燃料，因为氢是清洁的且能够用于在燃料电池中有效地产生电力。氢燃料电池是电化学装置，包括阳极和阴极，电解质在阳极和阴极之间。阳极接收氢气且阴极接收氧或空气。氢气在阳极中分解以产生自由氢质子和电子。氢质子穿过电解质到达阴极。氢质子与阴极中的氧和电子反应产生水。来自于阳极的电子不能穿过电解质，且因而被引导通过负载，以在输送至阴极之前做功。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）是车辆的普遍燃料电池。PEMFC通常包括固体聚合物电解质质子传导膜，如全氟磺酸膜。阳极和阴极通常包括细分的催化剂颗粒，通常是铂（Pt），所述催化剂颗粒支承在碳颗粒上且与离聚物混合。催化剂混合物沉积在膜的相对侧上。阳极催化剂混合物、阴极催化剂混合物和膜的组合限定了膜电极组件（MEA）。MEA的制造相对昂贵且需要某些条件以有效操作。

多个燃料电池通常组合成燃料电池堆以产生期望功率。例如，车辆的典型燃料电池堆可以具有两百或更多堆叠的燃料电池。燃料电池堆接收阴极输入气体，通常是由压缩机强制通过燃料电池堆的空气流。不是所有的氧都由燃料电池堆消耗，且一些空气作为阴极废气输出，所述阴极废气可以包括作为燃料电池堆的副产物的水。燃料电池堆还接收流入燃料电池堆的阳极侧的阳极氢输入气体。

燃料电池堆包括位于燃料电池堆中多个MEA之间的一系列双极板，其中，双极板和MEA设置在两个端板之间。双极板包括用于燃料电池堆中的相邻燃料电池的阳极侧和阴极侧。阳极气体流动通道设置在双极板的阳极侧上，且允许阳极反应物气体流向相应MEA。阴极气体流动通道设置在双极板的阴极侧上，且允许阴极反应物气体流向相应MEA。一个端板包括阳极气体流动通道，另一个端板包括阴极气体流动通道。双极板和端板由导电材料制成，如不锈钢或导电复合物。端板将燃料电池产生的电传导到燃料电池堆之外。双极板还包括冷却流体流经的流动通道。

大多数燃料电池车辆是混合动力车辆，除了燃料电池堆之外，其采用可再充电的补充高电压功率源，例如蓄电池或超电容器。高电压功率源给各个车辆辅助负载提供补充功率，用于系统启动和在燃料电池堆不能提供所需功率时的高功率需求期间。更具体地，燃料电池堆通过DC高电压总线提供功率给牵引马达和其它车辆系统，以用于车辆操作。在需要超过燃料电池堆能够提供的附加功率时的时间期间，例如在急加速期间，蓄电池给电压总线提供补充功率。例如，燃料电池堆可提供70 kW的功率。然而，车辆加速可能需要100 kW或更多的功率。在燃料电池堆能够满足系统功率需求时，燃料电池堆用于给蓄电池再充电。牵引马达可用的发电机功率可以提供再生制动，其还可以用于通过DC总线给蓄电池再充电。

在采用高电压蓄电池的一些燃料电池系统设计中，高电压部件（包括电牵引马达）被电联接到高电压总线。高电压总线直接连接到蓄电池且以蓄电池电压为动力操作，其中DC/DC燃料电池升压电路设置在燃料电池堆和高电压总线之间，以允许燃料电池堆电压独立于DC总线电压变化。可选地，系统的高电压部件电联接到高电压总线，高电压总线直接联接到燃料电池堆，从而所述部件以燃料电池堆电压为动力操作，其中DC/DC升压电路设置在高电压总线和蓄电池之间，以允许蓄电池电压独立于总线电压变化。

在负载直接联接到蓄电池电压的设计中，负载被控制，使得其吸取在蓄电池的许可电压范围内的电压，例如300-400伏。使用监督控制器，其知道蓄电池的许可电压范围且控制各个部件可以从总线吸取或者在再生操作期间提供给总线的功率量。所有功率流的总和等于从蓄电池放电或者充电到蓄电池中的功率，且被控制（例如，由监督控制器），使得其分别不使蓄电池电压高于其上限或低于其电压下限。然而，由于测量误差、控制器域网（CAN）消息传输时间、功率瞬变等，监督控制器可允许负载吸取/提供总体上导致违背蓄电池电压极限的功率水平。因而，一些负载以基于嵌入算法的电压限制函数为特征，所述算法防止负载从总线吸取/提供给总线比在不违背蓄电池电压极限的情况下可能的功率更多的功率。换句话说，只要部件中的电压控制算法知道蓄电池电压上限和下限，它们就能够在没有来自于监督控制器的输入的情况下对从高电压总线吸取/提供给高电压总线过多的功率的企图至少临时地做出反应。