[发明专利]控制燃料电池混合系统的操作的系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种控制燃料电池混合系统的操作的系统和方法。更特别地，本发明涉及一种通过使用燃料电池作为主动力源并使用能量储存装置作为辅助动力源来控制燃料电池混合系统的操作的系统和方法，其能够有效地避免燃料电池在操作期间的低功率和低效率区域。

背景技术

氢燃料电池车内的典型燃料电池系统包括通过反应气体的电化学反应产生电力的燃料电池堆，将作为燃料的氢气供应给燃料电池堆的氢气处理系统，供应作为燃料电池堆中的电化学反应所需的氧化剂的含氧空气的空气处理系统，以及热管理系统(TMS)。TMS负责将反应热从燃料电池堆排放到燃料电池系统的外部、控制燃料电池堆的操作温度、以及执行水管理功能。

在车辆的燃料电池系统中，当仅燃料电池被用作车辆的动力源时，构成车辆的所有负载由燃料电池供以电力，并且因此燃料电池的性能可能会在操作期间恶化，在这种情况下燃料电池的效率较低。

因此，当突然有负载施加到车辆时，燃料电池的输出电压突然下降，并且因此未能将足够的动力供应给驱动电动机，这可能会恶化车辆的性能。此外，燃料电池具有单向输出特性，并且因此难以在车辆制动期间从驱动电动机恢复能量。因此，这也会恶化车辆的性能。

在致力于克服这些缺点的过程中，汽车工业已经发展出燃料电池混合动力车。除了作为主动力源的燃料电池之外，燃料电池混合动力车还配备有作为辅助动力源的适合的能量储存装置(诸如高电压电池或超级电容器)来提供驱动驱动电动机和高电压部件所需的适合的动力。

在该混合系统中，使用在车辆的怠速状态下停止燃料电池发电的怠速停止模式。为了避免低功率区域并因此改善燃料电池系统的效率和提高耐久性，已经提出了用于低效率区域的避免操作的各种方法。

典型地，在燃料电池和超级电容器直接连接在一起的系统中，切断空气供应以关掉燃料电池混合系统的输出。通过这样做，燃料电池的输出通过双向功率变换器的电压而被直接控制。

更具体地，美国专利第7,196,492号公开了一种实现燃料电池超级电容器混合系统的怠速停止模式的方法，其中基于主母线端子的电压及其变化率来确定怠速停止模式，并且通过位于燃料电池一端的开关的操作来暂停燃料电池的发电。

此外，美国专利第7,377,345号公开了一种用于配备有功率变换器的燃料电池车的怠速控制系统。在该实例中，当车辆负载较小时(即，在正常负载跟踪操作期间)执行燃料电池在最佳效率点工作的发电模式，并且当能量较高时执行停止燃料电池发电的发电停止模式。

此外，也由本申请人提交的韩国专利公开10-2010-0005768公开了一种包括燃料电池和储存装置的燃料电池混合动力车的怠速停止启动控制方法，其中在特定电压下切断空气供应使得燃料电池的发电被自动停止而不需要开关或功率变换器的操作。

然而，迄今，尚未有效地发展出能够有效地避免燃料电池在操作期间的低功率和低效率区域的用于控制燃料电池混合系统的操作的系统和方法。特别是关于更高效的怠速停止启动控制系统和方法，情况确实是如此。

本背景技术部分中公开的上述信息只是为了增强对本发明的背景的理解，并且因此可能包含不构成在该国对本领域普通技术人员而言已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明提供了一种控制燃料电池混合系统的操作的系统和方法。更具体地，本发明包括作为主动力源的燃料电池和作为辅助动力源的能量储存装置。有利地，本系统可以有效地避免燃料电池在操作期间的低功率和低效率区域，并提供更高效的怠速停止启动控制。

在一个方面中，本发明提供了一种控制燃料电池混合系统的操作的系统和方法。更具体地，该系统和方法允许车辆以燃料电池系统的正常操作模式运行。如果怠速停止条件在燃料电池系统的正常操作模式期间得到满足，则切断对燃料电池的空气供应以便停止燃料电池的发电并减小燃料电池的电压。然后，双向高电压DC-DC转换器的电压被减小。该DC-DC转换器例证性地连接在高电压电池和主母线端子之间。结果，燃料电池的输出被控制为被保持的预定值(V_②)。当保持预定值时，高电压电池由通过保持DC-DC转换器的减小的电压而产生的燃料电池的输出电流强制充电。通过这样做，阴极中的氧气被消耗并且燃料电池的电压变得比DC-DC转换器的电压低。