[发明专利]管理混合系统操作的方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于管理混合连续电源操作的方法，所述电源包括燃料电池堆、电池（battary）和包括输入和输出的DC/DC转换器，所述转换器的输入被连接到燃料电池堆输出并且其输出被连接到与与电池并联的可变负载，由适合从燃料和氧化气体产生电力的多个电化学电池元（cell）形成燃料电池堆。

背景技术

串联连接的电化学单元装配（常称为堆）已公知。可以通过例如蓄电池元件或者通过燃料电池形成这样装配的电化学单元。燃料电池指将化学能直接转化成电能的电化学器件。例如，一种类型的燃料电池包括阳极和阴极，其间安置通常称作聚合物电解质膜的质子交换膜。此类型的膜仅允许质子在燃料电池的阴极和阳极之间通过。在阳极上双原子氢进行反应以产生穿过聚合物电解质膜的H⁺离子。通过此反应产生的电子通过燃料电池的外部电路到达阴极，从而产生电流。因为单个燃料电池一般仅能产生低电压（约1伏特），通常串联连接燃料电池以形成能够产生包括每个电池的电压的总和的更高的电压的燃料电池堆。

当在汽车工业中使用时，这些燃料电池堆通常与电池关联以形成混合系统。此系统将燃料电池堆和电池并联以便燃料电池堆和电池通过称为母线（bus）的公共部分同时或者分别给汽车供电。此混合还允许燃料电池堆给电池充电。当其使用连接在燃料电池堆的输出处的DC/DC转换器时混合系统称为“激活（active）”，参见图1。此DC/DC转换器经常用于适应燃料电池堆和电池的电压水平并且调整通过燃料电池堆输出的功率。

调整功率要求实施控制方案，以根据汽车电机的功率要求和系统约束在燃料电池堆和电池之间分配功率。控制方案必须考虑的系统约束是燃料电池堆和电池的最大电压和电流、必须不能超过的温度范围、电池充电状态，即，例如，当其已经100%充电时，电池必须不再充电，等等。

用于此混合系统的一个控制方案包括将电池充电状态调整在额定值附近，不达到该电池的最大和最小充电状态。从而，电池从来不需要外部充电，因为其通过燃料电池堆以及通过当车辆处在制动状态时的再生动能再充电。这意味着燃料电池堆提供车辆的电机消耗的平均功率，而电池用作充电或放电能量的能量缓冲器装置。通过使用DC/DC转换器调整母线电压在恒定值实现此方案。

此已知方案的一个缺点是没有防止燃料电池堆在开路电压（“OCV”）下操作的措施。“开路电压”意义为每个电池元的电压高于0.85-0.9V/电池元的操作区域。公知该电压会减少燃料电池堆的寿命。因此不希望燃料电池堆在此模式中操作。

当燃料电池堆仅用恒定压力电流（pressure current）控制时，会出现开路电压操作模式。此控制方法来源于减少燃料电池堆的操作压力到低功率以避免OCV范围的构思。然而，必须认识到压力变化的动态远慢于电流变化的动态（对于压力在秒的量级并且对于电流在毫秒量级）。还必须认识到，燃料电池堆压力的降低仅在消耗电流时发生并且电流值直接影响压力降低的速率。因此，如果燃料电池堆的功率瞬间（或者快速）从几千瓦特变化到0KW，就不可能避免OCV范围，因此就不会再有任何电流来减少压力，因而燃料电池堆将被损坏。

发明内容

本发明的一个方面目的为提供一种用于管理混合系统的操作的方法，该系统包括燃料电池堆和电池，其能优化混合系统的性能并且增加燃料电池堆的寿命。

因此，根据所附权利要求1，本发明涉及一种用于管理混合连续电源的操作的方法。

本发明的一个优点是为燃料电池堆提供更长的寿命。实际上，通过根据混合系统是在低功率模式还是高功率模式选择不同的调整方法，该系统利用了这两种调整模式而又能避免其缺点。实际上，因为低功率意味着低电流，所以在低功率下使用压力变化的调整是有利的。因此，在低功率下感觉不到电流变化和压力变化之间的反应性的差异，然而在高功率下，即，具有高电流，此差异会导致混合系统进入OCV范围。

本发明的方法的优选实施例形成所附权利要求的主题。

通过权利要求2限定第一有利实施例。

在根据权利要求3的第二有利实施例中，表示可变负载的变量是第三参考值和测量的电池电压之间的差。

在根据权利要求4的第三有利实施例中，表示可变负载的变量是可变负载要求的功率和燃料电池输出功率之间的差。

在另一个有利实施例中，第二临界值是2.45巴。

在另一个有利实施例中，第一预定临界值是0.845伏特。

在另一个有利实施例中，第二参考值是每电池元0.85伏特。